奇妙的古代聲學建築

古代人常常應用聲音的一些特性建造一些特殊的建築物。比如北京天壇中的回音壁、三音石、山西普救寺內的鶯鶯塔等，以此增加它們肅穆威嚴氣氛。

這些建築物巧妙地利用了聲學上的一些原理，既有很強的使用價值，也收到了奇妙的藝術效果。表現了中國古代的聰明才智。

利用聲學效應的建築在中國已發現不少。北京天壇和山西省永濟的鶯鶯塔是迄今保存完好的具有聲音效果的建築。此外，還有四川省潼南縣的石琴、河南省郊縣的蛤蟆音塔和山西省河津縣的鎮風塔等。

北京天壇是著名的明代建築。其中皇穹宇建於西元一五三〇年，原名「泰神殿」，西元一五三五年改為今名。天壇的部分建築具有較高的聲學效果，使這一不尋常的「祭天」場所，更增添了神祕的色彩。

天壇建築物中最具聲學效應的是：回音壁、三音石和圜丘。

回音壁是環護皇穹宇的一道圓形圍牆，高約六米，圓半徑約三十二點五米。內有三座建築，其中之一是圓形的皇穹宇，位於北面正中，它與圍牆最接近的地方只有二點五米。回音壁只一個門，正對皇穹宇。

祭天 華夏民族自古就有「敬天法祖」的信仰，在華夏先民眼中，天地哺育眾生，是最高的神。祭天是華夏民族最隆重、最莊嚴的祭祀儀式，起源於上古時期。是人與天的「交流」形式。祭天儀式通常由「天子」主持。透過祭天來表達人們對於天滋潤、哺育萬物的感恩之情，並祈求皇天上帝保佑華夏子民。

整個牆壁都砌得十分整齊、光滑，是一個良好的聲音反射體。

如有甲、乙兩人相距較遠，甲貼近圍牆，面向牆壁小聲講話，乙靠近牆壁可以聽得很清楚，聲音就像從乙的附近傳來的。只要甲發出的聲音與甲點的切線所成的角度大於二十二度時，聲音就要碰到皇穹宇反射到別處去，乙就聽不清或聽不到。

在皇穹宇臺階下向南鋪有一條白石路直通圍牆門口。從臺階下向南數第三塊白石正當圍牆中心，傳說在這塊白石上拍一下掌，可以聽到三響，所以這塊位於中心的白石就叫「三音石」。

事實上，情況不完全是這樣。在三音石上拍一下掌，可以聽到不止三響，而是五響、六響，而且三音石附近也有同樣的效應，只是聲音模糊一些。

這是因為從三音石發出的聲音等距離地傳播到圍牆，被圍牆同時反射回中心，所以聽到了回聲。回聲又傳播出去再反射回來，於是聽到第二次回聲。

如此反覆下去，可以聽到不止三次回聲，直至聲能在傳播和反射過程中逐漸被牆壁和空氣吸收，聲強減弱而聽不見。

如果拍掌的人在三音石附近，從那裡發出的聲音，傳播到圍牆，不能都反射到拍掌人的耳朵附近來，因此聽到的回音就比較模糊。

圜丘是明清兩代皇帝祭天的地方。它是一座用青石建築的三層圓形高臺。高臺每層周圍都有石欄杆。在欄杆正對東、西、南、北方位處鋪設有石階梯。最高層離地面約五米，半徑約十一點四米。

高臺面鋪的是非常光滑、反射性能良好的青石，而且圓心處略高於四周，成一微有傾斜的臺面。人若站在高臺中心說話，自己聽到的聲音就比平時聽到的要響亮得多，並且感到聲音好像是從地下傳來的。

這是因為人發出的聲音碰到欄杆的下半部時，立即反射至傾斜的青石臺面，再反射到人耳附近的緣故。

圜丘 圜丘在天壇南半部，始建於西元一五三〇年，坐北朝南，四周繞以紅色宮牆，上飾綠色琉璃瓦，俗稱「子牆」。明代時為三層藍色琉璃圓壇，清代乾隆時期擴建，並改藍色琉璃為艾葉青石臺面，漢白玉柱、欄。內中央處，就是祭天臺，也叫「拜天臺」，即「圜丘壇」。

鶯鶯塔就是山西永濟的普救寺舍利塔。因古典文學名著《西廂記》中張生和鶯鶯的故事發生在普救寺，所以人稱鶯鶯塔。

塔初建於唐代武則天時期，是七層的中空方形磚塔。後毀於明代的西元一五五五年大地震。震後八年按原貌修復，並把塔高增到十三層五十米。

鶯鶯塔最明顯的聲學效應是，在距塔身十米內擊石拍掌，三十米外會聽到蛙鳴聲；在距塔身十五米左右擊石拍掌，卻聽到蛙聲從塔底傳出；距塔兩千五百米村莊的鑼鼓聲、歌聲，在塔下都能聽見；遠處村民的說話聲，也會被塔聚焦放大。

《西廂記》 全名《崔鶯鶯待月西廂記》，被譽為「西廂記天下奪魁」。作者王實甫，元代著名雜劇作家。描繪「願普天下有情人終成眷屬」這一主題。曲詞華豔優美，富於詩的意境，是中國古典戲劇的現實主義傑作，對後來以愛情為題材的小說、戲劇創作影響很大。

諸如此類奇特的聲學效應，原來是由於塔身的形體造成的：塔體中空，具有諧振腔作用，可以把外來聲音放大。塔身外部每一層都有寬大的倒層式塔檐，可以把聲音反射回地面，相距稍有差別的十三層塔檐的反射聲音會聚於三十米外的人的耳朵而形成蛙鳴的感覺。

石琴位於重慶市潼南縣大佛寺大佛閣右側的一條上山石道中，由三十六級石梯組成，像一個巨大的石壁。從下半部的主洞口自下而上的第四級石階，直至第十九級石階，每一個階梯像一根琴弦，若拾級而上，就會發出悠揚婉轉，音色頗似古琴的聲音。

石蹬發音的聲學原理是，腳踏石階產生強迫振動，在空氣中形成聲波。其中以兩側岩壁最高處的七級石階發聲最響，腳下響聲似琴音，令人神往。古人稱為「七步彈琴」，並題「石蹬琴聲」四個大字

蛤蟆音塔在河南省郊縣。音塔其貌不揚，卻以奇聲奪人。在塔的任何一面，距塔十米以外，無論拍掌、擊石都可以聽到蛙鳴的回聲。如春天池塘裡有千萬隻蛤蟆在鼓膜低唱，令人遐想。

分析結論是，蛤蟆塔本身排列有序，而且其塔檐對聲音有會聚反射作用，從而產生回音。

鎮風塔位於山西省河津縣的康家莊，是一座比世界名塔永濟鶯鶯塔回音效果還要好的回音塔。

鎮風塔呈平面方形，為密檐式實心塔，共十三層，圍長十八點四米，高約三十米，每層檐拱角各懸吊一隻小鐵鐘，風來丁零作響。

塔剎呈葫蘆形，頂端有一立式鳳凰。站在塔下拍手、跺腳、敲磚、擊石，塔的中上部便傳出小青蛙、大蛤蟆的不同叫聲，還有清脆悅耳的鳥鳴聲。如果十多個人一齊拍手，其聲猶如群蛙在夏夜池塘邊競相放歌，悅耳動聽，妙不可言！

中國古代建築是利用聲學效應的科學寶庫，很多聲學建築成就體現了聲學與音樂、聲學與哲學和聲學與建築、軍事等的結合。這也是中國古代物理學發展的根本特點之一。

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潼南石琴為明宣德年間所鑿，距今已有五百餘年。傳說石琴下有一暗河，當遊人腳踏石階，石階之聲與暗河水聲發生共鳴而產生琴聲。

有人認為鑿造者瞭然回音原理之故，然而也沒有人作詳釋。也有認為石琴瀕臨涪江，滔滔江水發出轟鳴，當遊人腳踏石梯，引起共鳴之音，然而這一說法也不可信，因為水聲響徹空間，又距石梯尚遠，構不成共鳴體，水聲和腳履石梯發出的音響互不干擾。潼南石琴為何發出琴聲，值得進一步探討。

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序言
共鳴效應——古代聲學
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電與磁石——古代電磁
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熱源利用——古代熱學

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