1.天坛回音壁

北京天坛公园的回音壁是一道圆形围墙,天坛公园中的回音壁呈圆形

天坛公园造于15世纪初年。回音壁是一道圆形的围墙，高约6米，半径约32．5米。围墙内有三座建筑物，靠北边围墙2．5米处的一座叫“皇穹宇”，此外还有两座长方形建筑物。整个围墙砌得整齐光滑，非常适合于声的反射。奇妙的是，如果某乙把耳朵贴近围墙，甲在相距45米左右处紧贴围墙向北对乙说话，乙听起来十分清楚，好像说话的人就在身边一样。如果乙也贴着围墙向北对甲讲话，甲同样能听得很真切。产生这种声学效果的原因，就在于围墙的弧形使得甲或乙发出的声音只要入射角小于22°时，就能够满足所谓的“全反射”条件。连续反射的声音就可以一条折线以较小的能量衰减传到对方的耳中，而受“皇穹宇”其他建筑的散射很小。

天坛回音壁

在首都北京市区的东南部，座落着一个驰名中外的天坛公园。那里本来是明清两代帝王祭天和祈祷丰年的祭坛，最初建设于明代永乐十八年（1420年）。天坛是我国最壮观、最有特色的古建筑之一。不过，从声学上看，我们最感兴趣的是回音壁、三音石和圜丘。

天坛第一声学奇迹是回音壁。回音壁是一个圆环形的围墙，高约3.72 m，直径61.5 m。在回音壁内的圆形场地上，偏北有一座圆形的建筑物叫“皇穹宇”，它与回音壁内壁间的最短距离是2.5 m；同时东西对称地盖着两座房屋。人们一进回音壁，往往第一件事便是与同伴贴着围墙作远距离的耳语。人们讲悄悄话，一般在6 m以外就听不见。而在回音壁边上讲，传播却要远得多。即使你和同伴分别在直线距离为45 m的甲、乙两处轻声对话，彼此还听得清清楚楚，就像同伴在跟前与你说话一般。

这个声学奇迹是怎样形成的呢？原来语音的波长只有10~300 cm，比回音壁半径要小得多，因此在这种场合下可以认为声波是直线前进的。语音在甲、乙两处之间传播，一部分以束状沿围墙连续反射前进，全程有129 m；一部分沿直线直接通过空气传播，全程才45 m。因为墙面相当坚硬光洁，对声音的吸收小，是声音的优良反射体；而且在回音壁的具体条件下，声波沿墙面连续反射都是全反射，没有穿入墙体内部发生折射的部分，所以声音在传播中衰减很小。两个人在甲、乙两处发出轻声细语，通过墙面传播的声波，尽管走了129 m，对方还能听清楚，就像打电话一样。而直接经过空气传播的声波却衰减很快，只走6 m就消失了，根本传不到45 m外的对方耳朵里。这就是神秘的回音壁的声学原理。

天坛的第二声学奇迹是三音石。它在从皇穹宇通往围墙门口的一条白石铺成的路上，从皇穹宇台阶沿这条路数到第三块石头便是。游人们一到这里就鼓掌，鼓掌一下，可以听到五六次回声。因为三音石正好在回音壁内圆心上，鼓掌声沿着四面八方的直径在墙间来回反射。因为围墙为圆形，每次声波从围墙反射回来在圆心会聚，便是一次回声。只是由于声波在来回反射的过程中逐渐衰减，因此回声一次比一次微弱，五、六次后，回声就微弱到听不出来。

天坛的第三声学奇迹是圜丘。圜字是圆字的古体，丘字原意是小山、土堆子。不过，圜丘不是圆形土堆子，而是青石砌成的高台，这里是真正的祭天的祭坛。因为古人流行着“天圆地方”的不正确说法，所以圜丘砌成圆的，它外面的围墙筑成方的。圜丘是三层的石台，每层都有台阶可以拾级而登。每层台的周围都有石栏杆，最高层离地5 m多，半径15 m。

人们登上台顶，站在圜丘的圆心石上，往往又是喊话，又是拍手，这时听到的声音特别洪亮。这又是什么缘故呢？原来台顶不是真正水平的，而是从中央往四周坡下去。人们站在台中央喊话，声波从栏杆上反射到台面，再从台面反射回耳边来；或者反过来，声波从台面反射到栏杆上，再从栏杆反射回耳边来。又因为圜丘的半径较短，所以回声比原声延迟时间很短，以致相混。据测验，从发音到声波再回到圆心的时间，只有零点零七秒。说话者无法分辨它的原音与回音，所以站在圆心石上听起来，声音格外响亮。但是站在圆心以外说话，或者站在圆心以外听起来，就没有这种感觉了。

天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。

天坛回音壁位于天坛公园内，是皇穹宇的圆形围墙，墙身用山东临清砖磨砖对缝，上覆蓝琉璃筒瓦顶。

天坛公园位于天安门南5公里，永定门内大街东侧，总占地273公顷。天坛始建于明永乐十八年（1420年），是明清两代皇帝祭天、祈祷五谷丰收的场所，经过明嘉靖和清乾隆两次大的改建和扩建，形成了今天的规模和格局。

现为世界文化遗产，全国重点文物保户单位，国家AAAAA级旅游景区，全国文明风景旅游区示范点。皇穹宇建于嘉靖九年。初为重檐圆形建筑，名“泰神殿”，是圜丘坛天库的正殿。用于平日供奉祀天大典所供神版的殿宇。嘉靖十七年改名为“皇穹宇”。乾隆十七年改建为今式。

原理及运用：

一、原理：

回音壁有回音效果的原因是皇穹宇围墙的建造符合了声学的传音原理。围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，弧度过渡柔和，有利于声波的规则反射。加之围墙上端覆盖着琉璃瓦使声波不致于散漫地消失，更造成了回音壁的回音效果。

二、现代运用：

1、超声波探伤仪，从被测材料这个表面入射超声波，从另一个表面反射一下（回声），回来被接收，材料有“伤”的，就“听”出来了。

2、石油勘探，常采用人工地震的方法，即在地面上埋好炸药包，放上一列探头，把炸药引爆，探头就可以接收到地下不同层间界面反射回来的声波，从而探测出地下油矿。

3、建筑方面，设计、建造大的厅堂时，必须把回声现象作为重要因素加以考虑。在封闭的空间里产生声音后，声波就在四壁上不断反射，即使在声源停止辐射后，声音还要持续一段时间，这种现象叫做混响。