茅山军号声现象的进一步研究

摘要

提出了声学负反射的概念,以解释茅山军号声现象的物理机制.首先建立平面声波在周期台阶状边界上的反射模型,利用边界扰动的方法,给出了该问题的精确解.发现在共振区域,即周期结构间距和声波波长在同一量级时,只有小部分声能沿着镜面反射的方向反射,而大部分反射声能在入射方向的同一侧.特别在满足布拉格共振条件下,一些频带内的声音能全部沿逆入射方向返回.此现象类似于光学的闪耀光栅效应,称其为声负反射.应用此概念,给出了基于衍射近似的回声频谱与实验结果不符的原因,解释了为何在台阶前广场的中轴线上能听到最响亮的军号声.军号声的6个音符是由6组台阶相继反射而产生.根据光栅反射的特点,对于给定观测点,爆炸声丰富的频率成分中只有某些特定频率才能被接收到,周期台阶的空间滤波作用使得回声不再是原来的爆炸声.进一步证明了这些频率成简单的整数比,所以最终听到的是富有节奏感的军号声.利用光栅方程和具体的台阶数据,还预测了6个音符的基频和泛频,与实验测量符合较好.