最近二十年来,声人工材料成为了一个重要的研究领域并受到了研究者们的广泛关注,这一领域主要包括声子晶体和声学超材料。声人工材料是通过人工构建的单元结构来产生传统天然材料所不具有的新颖物理特性,如各向异性参数、近零参数、负弹性模量以及负质量密度等,并可以实现对声波的多样性操控,其中声单向操控及声束调控通常是基于不同类型的器件分别实现。具有亚波长厚度的声学超表面作为一类重要的声学超材料,可用于对空间声场进行简便、精准的操控,例如异常折射、聚焦声束和自弯曲声束等多种声学现象。但可调整参数响应的主动式声学超表面通常对结构参数的实时调控不够简便,因此限制了在实际应用中的前景。此外,随着拓扑能带理论的发展,拓扑中的相关概念也被引入到声人工材料的研究中。通过类比量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应,研究者们在声波系统中实现了受拓扑保护的声学单向边界态。最近出现的谷霍尔效应可以通过打破结构的对称性来实现拓扑相变,具有谷涡旋态的拓扑输运将为人们提供全新的声波操控方式。考虑到诸如医学成像和声学通信等领域中问题的复杂性,实现拓扑谷态沿着所需轨迹以不同频率输运具有重要意义。本文开展了对声人工材料中声操控性能及拓扑性质的研究,围绕上述问题,在声学单向分束器、薄膜型主动声学超表面以及界面态可调的拓扑声子晶体三个主要方向上取得了重要的研究成果,并有望在各种应用场合产生显著的价值,同时也为新型声学设备的设计和应用提供新的契机。主要内容包括:在第一章中,回顾了声子晶体、声学超材料和声人工材料中拓扑性质的发展,介绍了声子晶体能带计算、波动方程和等效介质等理论。在第二章中,研究了一种基于声子晶体实现的声学单向分束器。介绍了声学分束器和声单向设备的发展历程,然后提出了将两种声学器件的功能整合到一个多功能器件上的设计方案;之后阐明了通过控制线缺陷和非对称腔缺陷模态之间的耦合以实现单向分束器的基本机制。声学单向分束器能够将从输入端口入射的声波分成多束,同时有效地减少来自任何输出端口的反向入射。此外,该结构可以灵活地调整输出声波的数量和角度。通过数值模拟结果验证了理论预测的正确性,并展示了在目标频率下声学单向分束器的优异性能。在第三章中,研究了一种具有深度亚波长尺度的薄膜型主动声学超表面。首先回顾了声学超表面的发展历程,指出了传统主动超表面对结构参数的实时调控不够简便;其次提出了基于两个复合膜结构的主动声学超表面。该结构的机理是通过施加在压电材料上的静态电压导致压电材料产生形变,从而打破压电圆环上的应力平衡,使得透射声波的相位依赖于压电圆环上的静态电压值。数值模拟结果验证了理论预测的正确性,并通过调节施加在主动声学超表面单元上的静态电压值,实现了在不改变结构几何形状的情况下对声波的多样操控。在第四章中,研究了一种基于局域共振单元实现可调界面态的拓扑声子晶体结构。首先回顾了声人工材料中拓扑性质的发展历程,并且指出界面态可调的拓扑声子晶体在实际应用中的巨大潜力。该结构的机制是通过控制局域共振单元和打破镜像对称性来调节谷投影边缘态,进而可以改变拓扑界面态。通过数值模拟结果验证了理论预测的正确性,并且在不同频率声波入射的条件下,沿着垂直和弯曲的界面实现了高鲁棒性的声谷态输运。在第五章中,总结了论文的结论和展望了之后的工作。论文的创新点为:1.提出了一种基于声子晶体实现声学单向分束的设计。它能够将从输入端口入射的声波分成多束,同时有效地减少来自任何输出端口的反向入射。此外,该结构可以灵活调节输出声束的数量和角度。声学单向分束器整合了声单向设备和声学分束器这两种声学器件所具有的功能,对新型声学器件的制备具有重要意义。2.提出了一种基于复合膜结构实现主动声学超表面的设计。通过调节静态电压分布来实时地操控透射声波的波阵面,且在不改变结构几何形状的情况下,实现了对透射声波的多样性操控。该主动声学超表面可以方便的对结构参数进行实时地调节,这对于新型主动声学超表面的实际应用具有很大的意义。3.提出了一种基于局域共振单元的拓扑声子晶体实现可调界面态的设计方案。考虑到诸如医学成像和声学通信等领域中问题的复杂性,实现拓扑谷态沿着所需轨迹以不同频率输运具有重要意义。通过重新调节结构参数来改变拓扑声子晶体的界面态,并且在不同频率下沿着垂直和弯曲的界面实现了高鲁棒性的声谷态输运。该结构有助于改进可调拓扑声子晶体的设计,并为可调声学设备的设计和应用提供了新的思路。