摘要
本文深入地研究了阶梯状结构界面上的声传播问题，旨在揭示所谓的“水鸣天梯”奇异声学现象的形成机理，并试图理论上解释其它类似的声学现象。“水鸣天梯”乃指在山东即墨鹤山山顶附近台阶发现的奇特声学现象:当人在台阶从下往上行走时，站在台阶上方很远处的人能听到清晰的“水滴声”。 本文根据对“水鸣天梯”声景观现象的全面观测，提出了其形成的声学机理，并进行了深入的理论探索。利用Floquet定理，文章分析探讨了声波速度势解，证实了阶梯状石质结构界面上声表面波的存在性。根据台阶的几何尺寸，计算出了Floquet指数，给出了台阶上各阶表面波传播模式的截止频率。有限元软件的数值模拟证实了我们的理论分析。然后，根据理论预测的表面波的性质，我们重新设计并进行了现场实验。实验表明，在台阶的底部脚踏石阶或者发射的脉冲声波，经过台阶表面作用后到达台阶顶部时，只有低频成份的声能量得到了较大保留，高频部分衰减较多，与理论分析和数值模拟相一致。最终，我们确定正是周期台阶的表面波效应使得沉闷的脚踏声转变为悦耳的水滴声。 根据所提出的理论，任何具有类似结构的台阶，都会存在类似的“水滴声”声学现象。为了验证此观点，我们作了较为广泛的观测。我们发现，即使普通如南京大学声西楼附近的台阶也存在类“水滴声”现象。而我们对诸如安阳长春观、芮城禹王庙的现场实测表明，类似于“水鸣天梯”的声学现象确实是广泛存在的。 类似的建筑结构奇异声学现象，应该成为景观声学研究的重要内容之一。本文揭示了此类声学现象的产生机理，从而为设计类似的声景结构奠定了理论基础。
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