北京天坛回音建筑声学问题综合研究

Tiantan-echo architecture is the best ancient architecture at design in architectural history. Its acoustic phenomenon is a ferly in the history of acoustics. Tiantan is the foremost example of China's four famous ancient echo architecture, possesses skyscraping scientific, cultural and sight-seeing value. We have investigated the acoustic problems of the echo architecture in Tiantan. According to the echo location and the principle of echo, we have studied the configuration parameter of echo architecture shape and layout, reflective interface and the properties of materials and confirmed the key point of acoustics design that echo buildings produced acoustic phenomenon. By introducing the Haas effect in architecture acoustics and the human ear minimum threshold of audibility, we conducted dynamic analysis on the layout of echo architecture in Tiantan, and found the structural parameters and reflective interface which affected the famous acoustic phenomenon of Tiantan, such as the radius of Echo Wall, the range of the two palace's wall in the east and west, the position of wall groundsill and the relationship of both. The optimal structural parameters were confirmed. We discussed and designed the experimental scheme on the different length of the 1st, 2nd, 3rd and 4th stone in the Huangqiongyu corridor, and gave the results. The acoustics mechanism riddle of the four stones' acoustic phenomenon was uncovered. Via simulation and calculation, we investigated that whether the famous acoustic phenomenon existed in the Huangqiongyu and the Circular Altar in the circular building complex, built in the reign of Jiajing of the Ming Dynasty (1530). These results provided scientific base for the scientific protection and rational utilization of the ancient echo architecture of Tiantan. They possessed both academic and application value.

天坛回音建筑是建筑史上声学设计极佳的古建筑，其声学景观更是声学史上的奇迹，列为中国四大回音古建筑之首，具有极高的科学、文物和旅游价值。对天坛回音建筑声学问题进行综合研究，通过回声定位法，从回音建筑体型、布局的结构参数、反射界面和材料性能等进行实验研究，确定回音建筑产生著名声学现象的声学设计要点；引入建筑声学哈斯（H. Haas）效应和人耳最小可听阈，对天坛回音建筑体型布局进行动态分析，找到影响天坛著名声学现象存在的结构参数和反射界面即回音壁半径、东西两配殿墙面及墙基位置可取值范围及二者关系，确定最佳结构参数；设计验证皇穹宇甬道上一、二、三、四音石等四块石板长度各异内涵的实验测试方案并给出结果；揭开天坛四音石现象声学机理；通过模拟计算，研究建于1530年的圜丘坛建筑群中皇穹宇和圜丘是否存在天坛著名声学现象。这可为科学保护、合理利用天坛回音古建筑提供科学依据，既有学术价值，又有应用价值。

建筑文化遗产具有“不可再生性”。回音古建筑堪称古建筑文化遗产的绝艺，是中华民族珍贵的建筑文化遗产。天坛回音建筑是声学设计极佳的建筑，其奇妙的声学景观更是声学史上的奇迹，列为中国四大回音古建筑之首。现实中已出现对珍贵建筑文化遗产科学内涵缺乏了解和认识，好心办坏事，造成 “保护性破坏”的现象。因此，深入发掘并认识回音古建筑的科学内涵，开展多学科综合研究，既有学术价值，又有很强的实际应用价值。. 本项目利用现代物理学方法，采用建筑声学测试仪器和室内声场仿真软件，对天坛回音建筑声学问题进行综合研究，取得了如下成果：根据回声定位法和声音反射原理，确定了回音建筑保持现有声学现象存在的声学设计要点；测得了天坛回音建筑所用澄浆砖、艾叶青石和汉白玉栏板等建筑材料对不同频率声波的反射系数；根据哈斯（H.Haas）效应和人耳最小可听阈，得到了回音壁半径的可取值范围为17-50m，最佳值为32.5m；完成了天坛回音建筑的历史考察和所用“澄浆砖”制作工艺研究；推断出建于明嘉靖年间的圜丘可以产生天心石现象，而皇穹宇建筑不具备产生回音壁、三音石等现象的必要条件；完成了验证皇穹宇殿前甬道前四块石板长度各异内涵实验方案设计，实现了通过声脉冲响应图比对来证实其内涵并给出结论；首次采用室内声场仿真软件，开展了天坛回音建筑声学现象模拟仿真研究，模拟仿真与实验测试结果相吻合；通过模拟仿真研究，首次揭示了天坛四音石四个回声的形成机理并给出解释；开展了天坛回音建筑“有意、无意”问题的研究，认为乾隆年间改扩建时形成的天坛天心石、三音石等声学现象系有意而为。此外，还开展了三音石击掌声波和三个回声的频谱特性研究。. 该项研究成果，可为科学保护、合理利用天坛回音古建筑提供更为详实、可靠的科学依据，为回音古建筑声学机理研究提供了一个新的研究方法，在回音古建筑的保护、开发和利用方面有广阔的应用前景。同时，也成为中国古建筑科学与文化的普及读物。