声学微结构异常反射的理论与试验研究-东润丘成桐科学奖.PDF

参赛队员姓名：张双翼 宋邦卓 潘开欣 中学：南京外国语学校 省份：江苏 国家/地区：中国 指导教师姓名：潘志民 论文题目：声学微结构异常反射的理论与实 验研究 1 论文题目：声学微结构异常反射的理论与实验研究 摘要：本文通过对广义 Snell 反射定律分析研究，提出了一种亚波 长微结构的声学设计，该结构通过对相位的设计可以实现反射波 波矢方向的操纵从而实现反射方向的改变。通过对该结构数值模 拟，并在此基础上分别利用易拉罐阵列以及通过3D 打印技术制作的 声学器件对这个结构的反射声场进行了实验测量，实验检测到在正入 射条件下可产生不同角度偏转的异常反射声波，数值模拟和实验测量 结果与理论计算数据基本吻合，表明该结构可以有效地实现任意可调 的反射角。该研究在音乐厅设计、超声医学、军事等领域有广泛的潜 在应用。 关键词：广义Snell 反射定律；异常反射；声学微结构；易拉罐实 验 2 Title: The theoretical and experimental investigation of anomalous reflection by acoustic microstructures Abstract: By investigating generalized Snell’s reflection law, we propose acoustic microstructure designs, which utilizes the change in phase of reflection to alter the reflection direction of the acoustic wave. By applying on this structure to numerically simulate the reflection acoustic field and further measuring reflected acoustic field of both the soda can arrays and the acoustic device made by 3D printing, we verify in the experiments that reflected acoustic waves which deviate different angles are produced under normal incidence condition. Numerical simulation and experimental result matches theoretical prediction, proving that this acoustic structure can effectively realize arbitrary manipulation of anomalous reflection angle. The investigation have wide potential applications in music hall design ， ultrasound medical treatment ，and military fields. Keywords:generalized Snells law, anomalous reflection, acoustic microstructures, soda can experiments 3 4 声学微结构异常反射的理论与实验研究 1 研究背景 在音乐厅聆听美妙的音乐时，声波会通过墙壁的反射到达我们的耳朵，从而 显著改变最终听到的声音效果。但我们发现普通的墙壁只能产生对称于入射的反 射方向，所以音乐厅的形状必须被设计成不规则的形状，以使得声波能量在空间 均匀分布。如果可以使用平面墙壁产生任意的反射方向，我们将可以使舞台上发 出的声波聚集到任何想要的位置上，甚至对音乐厅的