重建于乾隆年间的北京钟楼有“都城内外,十有余里,莫不耸听”的声学效应,可使皇家“以时出治”,全城百姓“作息以时”。这种声学效应的形成是钟和楼共同作用的结果,缺一不可。对钟楼声学效应的探讨,学界多从钟声的强度来分析其声音传远性,未能深入分析钟与钟楼自身的声学特性,更未涉及楼与钟的声学互动。古人以为“声与政通,硕大庞洪”,北京钟楼的声学特性能彰显古代治国理念,折射皇家气派。今天研究钟楼声学特性,可通过挖掘其科学原理来加深对古代科技水平与价值观念等的认识。

　　钟的声学特性

　　古代报时钟呈圆形,由钟体和钟钮组成,多为青铜铸造。明清圆钟钟体基于唐代“平直形”和唐宋“浅波形”演变成为直径上小下大的喇叭形,钟腔随钟体也呈喇叭形。北京钟楼二层所悬报时钟铸造于明永乐年间,钟体为铜锡合金铸造。钟通高5.55米,其中钟体高4.5米,钟钮高1.05米,形如八瓣莲花的喇叭口直径3.40米,顶部直径2.52米,壁厚0.120～0.245米,总重量63吨,为国内现存最大之古钟。与铁钟、铜钟相比,铜锡合金铸造的大铜钟杨氏模量增大,加之较为适宜的弧度与厚薄,使其声音洪亮,提升了钟声的传远性,且重击不易裂。圆形钟体既便于激发能量在钟体内持续传播,增加钟体振动强度和延长钟体振动时间;也便于声波聚于钟腔进而延长钟的混响时间。但是,如果将钟置于平地,由于受周边建筑、树木等高大物体遮挡,钟声传播10里还是有困难的。

　　钟楼的声学特性

　　北京钟楼始建于元至元九年(1272年),位于大都中轴线上,为重檐庑殿顶木构建筑。《析津志》载:“钟楼京师北省东,鼓楼北,至元中建。……悬钟于上,声远愈闻之。”此楼毁于火后于明永乐十八年重建,不久又毁于火。清乾隆十年(1745年)重建,与鼓楼并峙。《日下旧闻考》卷五十四《按语》载:“《明一统志》,钟楼,明永乐十八年建。盖迁都北京营缮宫阙时也。后亟毁于火。本朝乾隆十年奉旨重建,十二年落成。”

　　从楼的形制、结构和建筑材料看,首先,钟楼可充分利用直达声。钟楼巍峨、壮观,建筑面积为1477.48平方米,楼基高15.74米,通高近47.9米,悬挂大铜钟的二层地面距地高23米,周边也无较高建筑遮挡,“拔地切云”“屹然巨丽”。从二层四个券门(高5.862米,宽4.82米)传出的直达声可率先传入民众耳中。其次,钟楼的弧形墙面可反射聚声,强化直达声和延长混响时间。底层窑洞(高6.7米,宽6米,深25.5米)和二层14米高的拱顶、四角拱券走道(宽1.278米,高3.56米,深5.511米)均有弧形墙面,可谓“穹窿四际”,能将声波反射汇聚,强化直达声,延长混响时间。钟楼的墙面或为硬度较高的砖垒砌,或为砖墙外抹白灰泥(石灰石),可将大多声波反射而不被吸收。再次,钟楼“天井”和底层窑洞腔体可作为钟腔的延伸,与钟腔耦合后共振扩声。位于大铜钟正下方贯通二层和底层的“天井”(井口为正方形,边长6米。据北京钟鼓楼博物馆陈君秋先生讲述,在天井下方,即底层地面,原有丈余深大坑,现已填平),形如山西莺莺塔塔腔,也与颐和园德和园大戏楼“地井”腔体类似,能与其固有频率相同或相近的声音产生共振,既可增加直达声声强,亦可延长混响时间。