茅山新四军烈士纪念碑前燃放炮仗,在台阶下方的人能听到类似军号的清晰回声。本实验室杨政予等人之前曾利用负反射理论解释了茅山军号声现象。我们认为由负反射产生的奇异回声现象具有普遍性,不止存在于茅山烈士纪念碑处,因此我们预测其他的大型台阶以及其他具有相似准周期结构的建筑也能产生类似的奇异回声现象。本文在负反射理论的基础上,对诸多其它具有准周期性的结构进行了回声实验,证实了负反射理论预测的正确性。最后,根据声波在准周期结构上的反射特征提出了能产生特定音乐回声台阶组的设计思路和方案。我们首次发现了河南永城梁孝王陵前台阶的类似奇异回声现象。现场的实验测量表明,用炮仗的爆炸声作为声源,回声也为类军号声。理论分析此台阶结构的反射问题,将台阶结构看作为声栅,利用基尔霍夫切平面近似计算反射声场,研究点声源辐射的球面波在准周期台阶界面上的反射。结果表明台阶对入射声波有梳状滤波作用并且中高频声波的反射声场与入射声场位于法线同一侧,故而此回声属于负反射现象。周期性的台阶改变了爆炸声的频谱,因此回声听起来像军号声。根据负反射理论,经过台阶反射的回声基频由入射角、反射角、台阶坡度及尺寸决定,实验测得回声的基频与理论相吻合,验证了理论的准确性。我们还在中山陵的台阶前首次发现了有趣的类似军号的回声现象。由于管制严格,我们只能在中山陵用大气球爆炸声取代炮仗声。虽然回声比较弱,但依然清晰可辨。我们进一步调研了其他具有准周期结构的建筑,包括青岛即墨鹤山“招鹤回鸣”台阶以及具有叠涩式塔檐的古塔,比如山西永济莺莺塔,河南登封法王寺塔等,进行了实验测量。在青岛鹤山以及山西永济鹳雀楼前,在台阶前20m的位置拍掌明显听到了类似鹤鸣的回声。对具有周期性内凹挑檐的叠涩式塔檐古塔前敲击石头,比如河南三门峡的宝轮寺塔和河南嵩山的法王寺塔,听到了类似蛤蟆叫的回声。所有这些实验的结果都表明,回声的音色强烈依赖于入射声的频谱以及台阶的尺寸和结构。利用负反射理论计算台阶反射的回声基频和实验测得的回声基频比较吻合。根据声波在台阶反射的指向性图发现,基频的声波大部分能量都沿入射方向返回了观测点,因此进一步证实了负反射理论的正确性。负反射理论也为我们设计具有奇异回声音效的建筑提供了理论指导。我们根据此理论初步设计了能产生指定音效的台阶结构,当入射声波在适当尺寸周期性台阶的梳状滤波作用后能产生奇妙的回声。当声源和观测点距离台阶组比较远时,不同台阶组上的入射角和观测点位置对应的台阶反射角不会发生很大变化,台阶产生的回声基频也变化不大。因此,主要通过调节台阶的尺寸来调整回声基频,再根据声波在台阶上的入射角和反射角进行修正,以产生所需基频的回声。之后使用有限元分析对设计的台阶组进行验证,在调制高斯脉冲激励下,台阶组回声基频和理论设计比较吻合。展望未来我们坚信,以负反射理论为基础,我们不仅能发现更多具有奇异回声的已有结构和建筑,而且也能对回声景观结构进行有目的的设计,以建造出能产生特殊回声效果建筑结构。