声学超材料是超材料在声学领域的分支,其核心思想是通过结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制,从而获得某些自然材料所不具备的声学性能,实现超常的声学功能,为新型声学功能器件的开发和设计提供了更加广阔的可能性。声二极管作为一个新近提出的超常声学功能器件,在理论声学以及应用声学等领域都有极大的意义和价值。然而,现有的基于非线性模块或附加流场的声二极管由于其内在机理限制,存在结构体积庞大、传输效率极低、声信号高度失真等问题,在实际生产生活中的应用十分局限。时空调制理论的兴起为解决上述问题提供了一个新的思路。时间作为一个额外的设计自由度,结合空间非对称性,能够轻易地打破系统的时间反演对称性,理论上可以实现声、光、电等多种经典波的非互易传输,即二极管效应。目前,时空调制理论在声学超材料设计中的应用尚处于起步阶段。本文以非互易声单向传输为功能导向,时空调制为基本指导思想,开展基于时空调制型声学超材料的声单向传输效应研究。从一维时空调制型声学超材料出发,基于传递矩阵法的基本思想,建立时空调制一维声学系统的理论模型,解决包含多个节点、复杂边界条件的时空调制系统的理论计算难题,为后续时空调制型声学超材料的研究以及超常声学功能器件的设计提供计算支持。建立密度/弹性模量时空调制的等效介质模型,研究两种经典调制模式下时空调制型声学超材料的超常声学效应,为后续非互易声单向功能的构型实现提供理论指导。研究时空调制的薄膜结构的声传输特性,根据时空调制型声学超材料的超常声学效应,提出两种基于薄膜结构的非互易声单向功能器件。研究时空调制的亥姆霍兹腔结构的声传输特性,提出基于亥姆霍兹腔结构的声二极管,通过实验验证该声二极管的非互易声单向传输性能。主要研究成果如下:提出了一种基于传递矩阵法的时空调制一维声学系统的理论计算方法,该方法能同时处理多节点、多模态、复杂边界条件的问题,提高了计算准确性和计算效率。建立了密度/弹性模量时空调制的等效介质模型,利用该模型研究了声学超材料在密度/弹性模量“求差”和“求和”调制模式下的超常声学效应,验证了时空调制型声学超材料中声波的“模态转化”和“参数化放大”效应。建立了时空调制的薄膜结构的理论模型,揭示了薄膜张力实时调制结合空间非对称性实现非互易声传输的内在机理,理论上提出了基于双层膜结构的声二极管和声单向放大器的实现构型。研究了时空调制的亥姆霍兹腔结构的声传输特性,揭示了非连通型亥姆霍兹腔结构声传输特性和系统调制特性之间的固有矛盾,提出了基于连通型双亥姆霍兹腔结构的声二极管,实验验证了该声二极管非互易声单向传输的隔离系数和带宽。