天壇 蘊藏的聲學奧秘

2023年12月12日發(作者：我的英雄夢)

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編輯|劉相龍天壇蘊藏的聲學奧秘天壇是中國古人在建筑史上展現智慧和最高學問的標志性建筑。著名的文物古建專家羅哲文先生曾題詞贊曰：“天壇是中國獨一無二，世界獨一無二的古典建筑杰作。” 73

天壇位于東城區永定門內大街東側，占地約276公頃。始建于明永樂十八年（1420），為明、清兩代祭祀皇天、祈五谷豐登之場所。天壇是中國古人在建筑史上展現智慧和最高學問的標志性建筑。著名的文物古建專家羅哲文先生曾題詞贊曰：“天壇是中國獨一無二，世界獨一無二的古典建筑杰作。”天壇的總體布局，分為內外兩壇，內壇由圜丘壇和祈谷壇兩部分組成，北部是祈谷壇，用于春季祈禱豐年；南部是圜丘壇，專用于冬至日祭天，兩壇之間以一條長360米，高出地面的甬道——丹陛橋連綴，共同形成一條南北長1200米的天壇建筑軸線。中心建筑祈年殿、圜丘臺、皇穹宇等主要建筑均為圓形，包括兩道圍墻北圓南方呈馬蹄狀，體現了中國古代天圓地方的理念。———————————————圜丘壇———————————————作為皇帝冬至祭天大典場所的圜丘壇，是游客們關注的焦點。圜丘壇始建于嘉靖九年（1530），又稱祭天壇，位于天壇南半部，坐北朝南，坐落在祈谷壇之正南，是繼建造大祀殿110年之后，于明朝嘉靖年間建立起來的專門用來祭天的建筑。之后經乾隆時代的改建，形成現在這樣的規模。四周繞以紅色壇墻，上飾綠色琉璃瓦。數百年來，其所鋪設的石板數量、“天心石”的聲學等奧秘，吸引了眾多的古建愛好者前去探究。鋪設石板暗藏玄機。圜丘壇兩道壇墻的四面各有石欞星門三座，共24座，氣勢恢宏，分外壯觀。特別是南面的三座欞星門，中間的門為神門，是供昊天上帝走的；左邊的門為御門，是供皇

帝走的；右邊的門為王門，是王公大臣走的門。由于等級不同，所以三個門面的尺寸也不同：中間的門尺寸大，寬400厘米，左側的門寬256厘米，右側的門最小，寬245厘米，充分體現了封建社會嚴格的等級制度。———————————————祭天臺———————————————祭天臺潔白無瑕，造型壯美，堪稱世間一絕。其石欄板、石柱、石地板、石臺階等，都是9和9的倍數構成，匠心獨具，奇妙無比。三層臺面，從上往下數，第一層臺面中間的圓石稱作“天心石”，從星象角度觀察，“天心石”是天皇大帝星的準確坐標。圍繞天心石共有9塊石板鋪墁，第二圈是18塊，以此類推，至第九圈是九九八十一塊，9圈石板加上天心石，共406塊。第二層臺面的第一圈有90塊石板，每圈遞加9塊，共1134塊。第三層臺面，從171開始，每圈遞加9塊，共計1863塊。三層臺面石板累計相加為3403塊。但是由于四面出陛，二層陛下占壓40塊的位置，底層陛下占壓72塊。3403塊減去占壓的112塊，實為3291塊。這個數目除以9，為365.66，正好約為周天數（一個歷年時間為365日5小時49分12秒）。是不是太奇妙了！祭壇采用高低對比的建筑藝術手法，將四周的欄桿和圍墻壓低，欄桿高1米，有兩道內圓外方的矮墻，內墻垣高1.8米，外墻垣高2米，墻外是郁郁蔥蔥的古柏樹林，襯托出祭臺的崇高和圣潔。———————————————丹陛橋———————————————天壇的中軸線，南起南壇墻，Grand Garden of Science75|文化|

北至北壇墻，全長1820米，雄偉壯麗。如果人們站在圜丘臺上北望，在藍天白云之下，在綠色海洋的映襯下，有高遠、深遠、平遠之境界。正如北宋郭熙《林泉高致·山水訓》所言：“高遠之色清明，深遠之色重晦，平遠之色有明有晦；高遠之勢突兀，深遠之意重疊，平遠之意沖融，而飄飄渺渺。”圜丘壇和祈谷壇，一南一北，一低一高。連接兩壇的丹陛橋，南端高出地面一米，北端高出地面4米，從南向北逐次升高，如同天梯，在兩側古柏的映襯下，有一種超塵脫俗之感。圜丘壇中心點到祈谷壇中心點為750米，而圜丘臺的高度僅僅是祈年殿的16%，相差懸殊。為了過渡，聰明的古代建筑大師從功能和藝術的角度出發，設計了一座建在高高的石臺基礎之上單檐圓形攢尖頂的建筑——皇穹宇，其高度為祈年殿高度減去圜丘的高度再折半，實測為19.05米。皇穹宇內外環列各八柱，以應“八柱承天”之說。這種設計構成了中軸線建筑起伏的變化，既滿足了實用的功能，又使得景觀更加優美。———————————————一樣的效果。除了回音壁外，還有“三音石”。皇穹宇殿前甬道北面的三塊石板分別是“一音石”（稱為“天石”）、“二音石”（稱為“地石”）、“三音石”（稱為“人石”）。在大殿門打開的狀態下，站在第三塊“人石”上說話，即使聲音很小，回聲也很大，稱之為“人間私語，天聞如雷”，意思是即使小聲說話，“昊天上帝”也能聽見。第三個聲學現象是圜丘臺上的“天心石”。“天心石”就是圜丘臺的中心石，直徑80厘米，寓意太極，站在上面說話，聲音效果如同使用擴大器一般甕聲甕氣，響亮渾厚，有立體聲的感覺，十分神奇。因為回聲是從四面傳來，聲波震動較大，所以聽起來既洪亮悅耳，又連續不斷，古時就把這種聲學現象天壇的三處聲學奧秘———————————————天壇建筑的聲學現象具有絕無僅有的奧妙與玄機，游客到了天壇，都要和同伴到回音壁前試一試，體驗一下。回音壁是皇穹宇的磚質圍墻，人們站在墻內距離較遠的任意兩點，貼著墻說話，出現如同打電話 75

最早對天壇聲學現象進行研究的，“說成是“上天垂象”，指天下萬民對于朝廷的無限歸心與一致響應，同時賦予天心石“億兆景從石”的美名，有億萬民眾緊相隨的意思。這些聲學現象，幾百年來一直是湯定元先生。是個謎，不僅成為游客的重要打卡在他的科普文章點，而且也成為科學研究的對象。《天壇中的幾個建筑物聲學問題》最早對天壇聲學現象進行研究一文中，的，是湯定元先生。在他的科普文對天壇公園中回音壁、章《天壇中的幾個建筑物聲學問題》三音石、圜丘聲學現象一文中，對天壇公園中回音壁、三音石、圜丘聲學現象的形成機理提的形成機理提出了科學論斷。出了科學論斷。湯定元院士分析認”為：“回音壁中，A處發出的聲波，沿著光滑的圍墻依次在1、2、3、4、5、6等處發生反射，由于反射時能量損失很小，到B點時還具有足夠的能量引起耳膜的振動，因此，仍

能聽得很清楚；三音石位于皇穹宇的臺階下第三塊石頭處，這里恰好是回音壁的中心，聲音往返于圍墻之間，經過中心時，人們就能聽到三次甚至更多次的回聲；圜丘天心石位于圜丘中心，人站在天心石上講話，四面八方的反射把能量送回來，并集中到臺中央，于是使聲音更強了。” 從科學上解釋了人們迷惑不解的天壇奇異聲學問題。在1995年，天壇公園為了驗證湯定元先生對天壇聲學現象的分析，與黑龍江大學合作，對天壇的聲學現象進行科學的測定。通過科學測定，證實了湯定元先生對“回音壁”“三音石”“天心石”聲學現象的論斷是正確的。———————————————皇穹宇“對話石”的發現———————————————天壇工作人員和黑龍江大學的專家學者，在皇穹宇院子內發現了“對話石”。皇穹宇前面的甬道用18塊大小不等的石板組成。當時發現的對話石，在該甬道的最南端的第18塊石板。站在這塊石板上，能清楚地聽見東（或西）配殿后面東北角（或西北角）遠端人的說話聲。對話石與東（或西）配殿后面東北角（或西北角）遠端人的說話處直線距離為36米，折線距離約50米，然而，聲壓級和自由聲場約7米的聲壓級相當，也就是說，在對話石處聽到36米處的說話聲，相當于正常生活場景下7米處的聲音。天壇對話石的發現，為這座古建筑又增添了幾分神秘。探秘非遺，其樂無窮，古人智慧，照耀華夏。

———————————————◎ 撰文|李愛霞（天津大學建筑學院博士）

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