在近二十年间,声学人工结构得到了科学界的广泛关注。通过人工设计特定结构使其能够产生自然界中所不具备的奇异特性,从而有效操纵声波。声学人工结构主要包括声子晶体、声学超常材料和声学超表面三类。人工结构的研究带来了新奇的物理特性,例如负折射效应,同时能够更加有效地调控声场,例如实现成像和隐身等诸多功能。近几年拓扑声子晶体的研究为声学人工结构注入了新鲜的血液,带来了更丰富的应用前景。为推动人工结构进一步的发展,我们必须不断引入新的思路和视角,创造更好的应用条件。本论文中,我们研究了人工结构中一些有趣的物理和新奇的功能,包括低维声子晶体体系的外尔物理,三维混响场球面波的超分辨成像,主动可调的超表面对三维混响场中声场分布的重塑和调控以及声诱导的平行耦合板间不对称相互作用力。具体内容如以下五点:1.一维声子晶体体系的外尔物理性外尔点是三维动量空间中的二重线性简并点。在水与玻璃相间堆叠的一维层状声子晶体体系中,我们通过引入两个结构参数构造一个虚拟的三维动量空间,在该三维空间中合成了外尔点。利用超声透射法,实验上我们成功测量到了线性简并的外尔点。外尔点的存在使得在参数空间内声子晶体的反射位相呈涡旋结构,且涡旋的中心位于外尔点,根据体边界对应关系,反射位相的涡旋性保证了声子晶体界面态以及类费米弧的存在。实验上,我们成功的测量到了反射位相的涡旋结构以及与模拟结果吻合很好的界面态分布。此外,根据界面态的特性我们设计了一个能够激发强准直束的结构。2.二维声子晶体体系的外尔物理性二维石墨烯结构声子晶体体系具有狄拉克简并点,在该体系内引入一个新的参数:散射体旋转角,从而构成一个具有二重简并外尔点的三维空间。对于特定旋转角时的声子晶体,其界面态是不受拓扑保护的,而从三维角度切入,在平行ΓΚ投影面内绕外尔点一圈的界面态分布是无帯隙的,受拓扑保护的,同时存在拓扑保护的费米弧。此外,在三维声子晶体体系中,沿不同方向投影时其界面态的分布是不同的,我们分别讨论了沿平行ΓΚ和ΓM方向投影时界面态的性质,根据其分布进一步验证了外尔点的手性。3.三维球面波的超分辨聚焦设计了具有完美吸收性能的金字塔状薄膜共振腔单元,并将12个完全相同的单元拼接成一个近球状正十二面体。采用时间反演技术在实验室内激发聚焦球面波,并通过解析聚焦球面波的时域信号,测量表征了近球状声学超材料的吸收性能,结果表明,在共振频率表现为近完美吸收。利用三维步进扫描机测量了有吸收体时球面波聚焦斑的形状,实验上成功得到了打破衍射极限的超分辨聚焦,此外,吸收体能够有效地识别相距为0.4λ的双聚焦斑。4.主动可调声学超表面对声混响场的调控和重塑设计了一个能够主动调节声场的超表面,超表面单元为经过巧妙设计了的薄膜共振单元。在薄膜上附加磁盘质量块和塑料环,用于调整本征模态和实现与通过支架支撑在距离薄膜2.5 mm处的电磁铁的相互作用。电磁铁极性的改变能够改变其与磁盘之间的相互作用力的性质,即改变力的方向,从而改变薄膜的有效振动区域,进而改变薄膜的共振频率。在两种模态下,频率介于两个共振峰之间时,其透射相位能够有近180度的差异,利用该相位差实现对声场的调控和重塑。实验上通过设计360个共振单元成功的实现了“强场区”和“静音区”。5.平行耦合板间声诱导的不对称相互作用力声波作用在物体上时能够产生声辐射力,同时也能够诱导物体之间产生相互作用力。我们设计了一个平行耦合板系统,当声波由不同测入射时能够激发的振动模态完全不同,从而导致产生的板间相互作用力差别非常大。当声波由薄板一侧入射时能够产生高于作用在整个系统上四个数量级的相互作用力,同时是由相反方向入射时产生的相互作用力的100倍。