十、回音壁与莺莺塔
位于北京的天坛是明清两代帝王祭天、祈祷丰年的地方，初建于明永乐十八年（1420年）。其中，祈年殿、皇穹宇、圜丘三座宏伟建筑坐落在南北纵轴线上。据古代人“天圆地方”的观念，这些建筑的平面均为圆形。皇穹宇围以高约6米，半径约32.5米的围墙。这个围墙，就是闻名的回音壁。圜丘为圆形的三层汉白玉石坛，最高层平台离地面约5米，半径约11.4米，每层平台边均砌有青石栏杆（见图3-40）。皇穹宇和圜丘建于明嘉靖九年（1530年）。
图3-40 天坛内建筑：圜丘（上）；回音壁（下）
皇穹宇的围墙和圜丘具有奇特的声音反射现象。
围墙以砖石砌成，墙壁面整齐、光滑，是一个优良的声音反射体。围墙内三座建筑，坐落在北面的最大的圆形建筑就是皇穹宇。东西两边对称地各有一座长方形建筑。皇穹宇北墙与围墙最近处为2.5米。圆形围墙与声音在凹面的反射密切相关。当图3-41中人A对凹墙面低语，声波沿着凹面“爬行”。在另一处人D可以听见经由墙面C传来的A的声音。皇穹宇北墙距离围墙近，在某种情况下它会阻挡部分沿墙面爬行的声波。据测定，与凹面墙切线所成的入射角在22°以内的声射线，其声波的能量都分布在近墙面的一条狭带内，而不致被皇穹宇所吸收或反射。这时，D能清楚地听见A的低语声。如果A大声说话，D会听到两个声音：一个是通过空气直接传达到D处的声音；另一个是经过凹形墙面连续反射而达到D处的声音。由于前者声强随1/r2（r为声波所通过的直线AD的长度）而衰减，后者的声强随1/R（R为A与D间声波所经过的弧长）而衰减。因此，虽然后者路程长，且稍后听见，但它却要比前者响一些。
图3-41 回音壁声波反射示意图
从皇穹宇到回音壁的大门有一条白石路，从皇穹宇往南数第三块石板正处在围墙的中央。在此拍掌，可以听到三次回声，人称“三音石”。在这个中心点发出的声音，其声波等距地传到围墙，又被围墙等距地反射回到中心点。这第一次回声又等距地传到围墙，并被围墙等距地反射回到中心点。如此往复几次，直到声能耗尽为止。如果不是围墙内三座建筑反射了大部分声波，人们还可以听到更多的回声。
从皇穹宇往南数的第18块石板处（见图3-41中的G1）和东配殿的东北角（G2）或西配殿的西北角（G2'）之间，由于回音壁凹形墙面和配殿对声音的反射而形成声道（G1B4G2或G1HG2），因此，虽然G1G2（或G1G2'）之间距离甚远，但此二处可以小声对话。这第18块石（G1）被称为“对话石”。中国科学院声学研究所陈通先生通过数学分析凹圆柱面内波的传播而对回音壁的各种声学特点做出了解释。之所以产生“对话石”现象，是由于凹面反射声有焦散现象，在焦散面上声场可以得到加强。声源G1的声波经回音壁凹面反射而达到G2或G2'点，G2或G2'是落在声反射面上的焦散点，在焦散点处的反射声压值比G1G2或G1G2'直达声大。
圜丘的声音效果是，人站在台中心叫一声，其本人可以听到来自其脚底地面的响亮的回声。这个声波反射过程是这样的：圜丘的平台并不真水平，而是中心略高、周围略倾斜，因此，平台栏杆与台面夹角略小于90°。人的声波传到栏杆后，被栏杆反射到平台面，再由平台面反射到人耳。或者，声波先传到平台面，再反射到栏杆，又被栏杆反射回平台中心。
在古代中国，有许多类似于天坛的声反射现象的大型建筑，位于山西永济普救寺内的莺莺塔就是其中之一。
莺莺塔原名普救寺舍利塔。由于《西厢记》主人公张生与崔莺莺冲破封建礼教的爱情故事发生在普救寺内，故而寺内舍利塔又称莺莺塔。普救寺初建于隋唐年间，塔为七层，明嘉靖三十四年（1555年）因地震而毁坏。今存莺莺塔重建于嘉靖四十三年，为十三层36.76米高（不计及塔刹）。
莺莺塔是四方形砖塔，塔内为方形空筒状。全塔与塔檐都由青石砌成。各层塔檐成半穹窿形。该塔最为明显的声学效果是：距塔身10米内击石、拍掌，30米外听到蛙鸣声；距塔15米左右击石、拍掌，听到蛙声似从塔底传出；距塔2.5千米的村庄里的锣鼓声、歌声，在塔下也能听见，且感觉似乎来自塔内；远处村民的说话声也会被塔聚焦放大。诸如此类奇特的声学效应，皆出于塔本身的结构与形状。中空的塔内腔起了谐振腔作用，可以将外来声音放大；半穹窿形塔檐不仅可以将声波反射回地面，还有汇聚声波的作用。不同高度的十三层塔檐的声反射脉冲汇聚于人耳，相邻两层塔檐的反射声时间间隔合适，约10毫秒，因此形成蛙鸣之感（见图3-42）。
图3-42 莺莺塔檐声波反射示意图
除了回音壁和莺莺塔之外，古代留传至今的许多建筑在声学上也有特殊的意义。在山西南部遗存一些宋元舞台，它除了屋顶之外，还有后墙与侧墙。这种舞台比四面敞露的舞台，在声学上是一大进步。古代无电声，人的演唱声或乐器声在敞露的舞台向四面传播，传不远，也听不清。而三面环墙的舞台建筑，对于露天场地上较远的听众无疑具有较清晰的听闻情形。明清时期，屋内歌舞戏厅增加。建于明代、重修于清乾隆五年（1740年）的皇宫内漱芳斋戏台，台面积为10平方米，高约3米，适宜演出小型歌舞说唱，声音效果极佳。
古代人还以增加建筑混响的方法使厅堂或广场演唱声传播得更远。据考察，山西南部和西南部地区的宋元戏台和舞楼，其台下多挖有坑洞，洞内置陶瓷数口。这些陶瓷可增大共振混响，在无电声的古代，对于听众是有利的。更有趣的是，许多古代钟鼓楼内，在钟或鼓下的地面掘有深池，钟鼓与其下的深池形成共振混响系统。北京大钟寺内大钟下的地面就掘有混响深池。
①李纯一：《先秦音乐史》，人民音乐出版社，1994，页47—48；也见其《中国上古出土乐器综论》，文物出版社，1996，页89—93。李纯一先生这两本力作，曾收集大量音乐文物，列出详尽参考文献，使本篇写作得益匪浅。特此申明，不敢掠美。
②前两种可能性由李纯一先生所推测，见其著《中国上古出土乐器综论》，文物出版社，1996，页33。
③其他的文字考证，以及第一句话的意义和数学表达法，参见戴念祖《中国声学史》，河北教育出版社，1994，页161-163。
④朱载：《律吕精义·内篇》卷五《新旧律试验第七》。
⑤在何处点蜡以调整簧片振动频率的细节及原理，见戴念祖《中国声学史》，河北教育出版社，1994，页390-391。
⑥张寿康：《击缶庐日札》卷二（稿本，藏中国科学院图书馆）。
⑦张寿康：《击缶庐日札》卷二（稿本，藏中国科学院图书馆）。