杨阳等:略谈北京钟楼的声学价值
北京钟楼是为传送报时钟声而建的声学建筑,钟楼与钟声自然有其声学上的互动。
当钟置于钟楼二层天井之上,钟腔与“天井”空腔连接并与“天井”和底层窑洞空腔耦合,构成新的耦合共振空腔,而非原来的钟腔或钟楼空腔。
即用来共振大铜钟钟体振动的钟腔由原来钟体内轮廓所包含的部分延伸至由钟腔、“天井”空腔和底层窑洞空腔所共同构成的耦合空腔,钟楼空腔成为钟腔的延伸或钟腔的有机组成部分。
从“十有余里,莫不耸听”“鼓奏钟鸣壮帝畿”的声学效应可知其效果应该是明显的。
从影响钟和耦合共振空腔固有频率的因素看,大铜钟的结构和质量、体积等参数决定了其拥有较低的固有频率;而耦合共振空腔容积较大,固有频率应较低。
低频声波在空气中传播不易被吸收,提高了钟声的传远性。
钟楼声学技术的历史渊源
置放大钟的钟楼二层,其声学性能与“台”无二。
“台”为我国古代最早利用直达声的传声建筑,现存最早实物遗存为山西晋祠金人台(金代露台)和山西高平西李门村二仙庙正殿前的金代露台。
至于建筑中共振技术的使用,多为空腔共振,文献早见于战国时期墨子设瓮于城墙脚下的守城技术,该技术流传甚广,直至抗战时期还被提及。
宋代王明清在《挥麈录》中记述钟楼里的大钟之下常挖有虚洞,“盖欲声之透彻也”。
宋孝宗幼时在秀州郡(今浙江嘉兴)城外真如寺钟楼玩耍,曾不慎坠入大铜钟下的虚洞之中。
元代周权在其诗作《接竹引泉》有“虚瓮鸣钧韶”之句。
清代郑光祖对圈洞的空腔共振有经验性认知,《一斑录》卷三《物理·声影皆有微理》中载:“气有所震(振)而成声。
现存利用空腔共振的建筑实物遗存见于山西永济莺莺塔,其“井状”塔腔的声学特性被科学家戴念祖总结为“中空的塔内腔体起了谐振腔的作用,可以将外来声音放大”。
不过,莺莺塔塔腔共振非建造者有意而为之。
在清代的古戏台建筑中,始建于乾隆三十七年(1772年)的北京故宫畅音阁大戏楼台基下挖井,井内柱形空腔可扩声。
清光绪十七年(1891年)仿建的颐和园德和园大戏楼也用同样的技术扩声。
此外,“墙上设瓮”和“后台设洞”的共振技术在山西古戏台建筑中应用均较成熟。
如咸丰四年(1854年)前建造的山西平遥超山庙古戏台后台的十字窑洞可共振扩声,其十字窑洞结构与北京鼓楼十字窑洞有异曲同工之妙。