天壇三音石的聲學(xué)原理
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天壇回音壁里有一塊為三音石。如果你站在這塊臺上拍一下手，你就能聽到三次回聲，這是什么原因呢？
三音石又稱三才石，比喻"天、地、人"三才。
三音石位于皇穹宇殿門外的軸線甬路上。從殿基須彌座開始的第一、第二和第三塊鋪路的條型石板就是三音石。
站在第一塊石板上面向殿內(nèi)說話，可以聽到一次回聲。
站在第二塊石板上面向殿內(nèi)說話，可以聽到兩次回聲。
站在第三塊石板上面向殿內(nèi)說話，可以聽到三次回聲。
三音石的第三塊石板又稱"天聞若雷石"，就是說，站在第三塊石板上面向殿內(nèi)說話，如果大殿僅敞開面對三音石的殿門，而且殿門到殿內(nèi)正中的神龕之間沒有任何障礙物的話，此時聽到的回音尤其響亮，似乎"人間偶語，天聞若雷"。
天壇回音壁的聲學(xué)原理
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回音壁是皇穹宇的圍墻，高3.72米，厚0.9米，直徑61.5米，周長193.2米。
回音壁有回音的效果。如果一個人站在東配殿的墻下面朝北墻輕聲說話，而另一個人站在西配殿的墻下面朝北墻輕聲說話，兩個人把耳朵靠近墻，即可清楚地聽見遠(yuǎn)在另一端的對方的聲音，而且說話的聲音回音悠長。
回音壁有回音效果的原因是皇穹宇圍墻的建造暗合了聲學(xué)的傳音原理。圍墻由磨磚對縫砌成，光滑平整，弧度過度柔和，有利于聲波的規(guī)則折射。加之圍墻上端覆蓋著琉璃瓦使聲波不致于散漫地消失，更造成了回音壁的回音效果。
英國倫敦，有一條著名的圓環(huán)形“私語走廊”，你在這直徑34米的走廊任何一處墻邊說悄悄話，在走廊其他地方，包括直徑對面的最遠(yuǎn)處的人，都能聽得清清楚。如若你對著墻壁“私語”，其他的人會覺得你正在他身邊“耳語”，十分奇妙。
更為著名的是北京天壇的回音壁?；匾舯冢翘靿写娣呕实奂漓肷衽频幕蜀酚钔鈬鷫?。墻高3.72米，厚0.9米，直徑61.5米，周長193.2米。墻壁是用磨磚對縫砌成的，墻頭覆著藍(lán)色琉璃瓦。圍墻的弧度十分規(guī)則，墻面極其光滑整齊，兩個人分別站在東、西配殿后，貼墻而立，一個人靠墻向北說話，聲波就會沿著墻壁連續(xù)折射前進(jìn)，傳到一、二百米的另一端，無論說話聲音多小，也可以使對方聽得清清楚楚，而且聲音悠長，堪稱奇趣，給人造成一種“天人感應(yīng)”的神秘氣氛。所以稱之為“回音壁”。
回音壁直徑61.5米比“私語走廊”大27.5米，而且“私語走廊”有個球形屋頂，而天壇是敞頂?shù)沫h(huán)道。但是，回音壁和私語走廊回音傳聲的原理都是一樣的，敞頂?shù)幕匾舯谠诮ㄖ吐晫W(xué)上確實(shí)更高一籌。
造成三音石獨(dú)特效果的原因是建筑格局中的一些布置與聲學(xué)原理相吻合。聲波從不同之處折射回來的速度與層次造成了第一、第二和第三塊石板處聽到回音的次數(shù)不同。第三塊石板與殿門及殿內(nèi)神龕上的殿頂所構(gòu)成的特有角度可以使聲波折返到殿外時能夠帶有強(qiáng)烈的轟鳴。
天壇回音壁的四周圍墻很高，而且堅硬光滑，能夠很好地反射聲音；墻又是圓形的，三音石正好放在圓的中心處。當(dāng)你拍了一下手后，聲音從空氣中向四周傳播，遇到圍墻后，又給反射回來，這些經(jīng)反射回來的聲音又都經(jīng)過位于圓心的三音石。所以，我們站在三音石上拍手，就會聽到清晰的回音，而且回音特別響。
反射回來的聲音還有一個特點(diǎn)，它經(jīng)過圓心后繼續(xù)向前走，一直傳到對面圍墻上，經(jīng)過第二次反射又回到三音石。這樣，我們就聽到了第二次、第三次，甚至更多次的聲音了，這里除你拍手的那次聲音是原始聲音，其余的都是回音。
當(dāng)發(fā)聲和回聲間隔時間小于1/16秒時，我們會把這兩種聲音聽成一個聲音，回聲的作用只是加強(qiáng)了原來的聲音。聲音在空氣中傳播的速度是每秒鐘340多米。只有人與墻壁間的距離超過11米時，聲音往返的距離才會超過22米（22＞340÷16），這時，我們的耳朵才能把回聲分辨出來?；蜀酚钍覂?nèi)半徑才幾米，當(dāng)然就聽不到回音了。三音石到圍墻的距離是32.5米，不難算出，發(fā)聲和回聲的時間間隔將是1/5秒，所以能聽到清晰的回聲。
天壇圜丘的聲學(xué)原理
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圜丘壇在天壇南部，是皇帝冬至日祭天的地方，故又稱“祭天臺”、“拜天臺”。始建于明嘉靖九年（1530年），按照南京式樣建造，用藍(lán)色琉璃磚砌成。清乾隆十四年（1749年）擴(kuò)建，欄板、望柱改用漢白玉，壇面鋪石用文葉青石。
壇為露天三層圓形，象征天。它為三層漢白玉雕砌的露天圓臺，壇面、欄板、欄柱為艾葉青石雕成，兩道外方里圓的圍墻象征著“天圓地方”。由于是祭天壇，圜丘的整個結(jié)構(gòu)是對數(shù)學(xué)的巧妙運(yùn)用，壇面、臺階、欄桿的石制構(gòu)件，都取九或九的倍數(shù)，即陽數(shù)，用以象征天。壇中心的圓形石板，叫天心石，站在上面高喊或發(fā)出敲擊聲，周圍即起回音，自 己聽起來聲音很大，好似一呼百應(yīng)。古代把一、三、五、七、九單數(shù)稱為“陽數(shù)”，又叫“天數(shù)”，而九則是陽數(shù)之極。所以，圓丘的層數(shù)、臺面的直徑、墁砌的石塊、四周的欄板均用天數(shù)，表示天體至高至大。壇圓形三層，最高一層臺面直徑是九丈，名“一九”；中間一層十五丈，名“三五”；最下一層二十一丈，名“三七”。
第一層臺面中央嵌一塊圓形石板，叫“天心石”。站在天心石上高呼，回音很大，好似一呼百應(yīng)。四周圍繞有九重石塊，第一圈是九塊扇形板，為一重；第二四十八塊，為第一圈的倍數(shù)，爾后依次按九的倍數(shù)遞加，至第九圈為八十一塊，稱九重。每層四面有臺階，各九級。一層欄板七十二塊，二層一百零八塊，三層一百八十塊，共三百六十塊，正合周天三百六十度。
圜丘外面有兩重譴墻，均為藍(lán)琉璃筒瓦通脊頂，墻身涂朱。內(nèi)墻是圓形，四面各有欞星門，都是六柱三門。內(nèi)墻外面東南有燔柴爐一個、瘞坎一個、燎爐五個、西南有三個燈桿。外墻是方形，在東、西門的左、右，各設(shè)一個燎爐。北門外是皇穹宇，東門外東北角有神庫、神廚各五間，林亭一個，祭器庫、樂器庫、棕薦庫各三間。又東有宰牲亭、林亭一個。譴外內(nèi)壇墻有四個門，東叫“泰元”，南叫“昭亨”，西叫“廣利”，北叫“成貞”。昭亨門外東、西還各有一座石坊，由于祭天是在黎明前進(jìn)行，燈竿高懸大燈籠，名曰“天燈”，用來照明。同時在各個燎爐焚燒松柏木、檀香木，香煙繚繞，火光可以照亮全壇，儀式非常隆重壯觀。
站在圜丘臺中間的圓心石上輕輕喚一聲，就立即從四面八方傳來回聲，好似眾人齊鳴，一呼百應(yīng)。封建帝王附會說這是皇天上帝在向凡人發(fā)出“圣諭”。其實(shí)，這種現(xiàn)象是聲波被阻的回音。從圓心石發(fā)出的聲波傳到四周的石欄以后，就同時從四周迅速反射回來，聲波振動較大；又由于圜丘壇的半徑較短，所以回聲很快。據(jù)測試，從發(fā)音到聲波返回到圓心的時間，總共只有0.07秒，所以站在圓心石上的人聽起來，聲音格外響亮。因此，圜丘壇上的圓心石又稱為“億兆景從石”。
