声学超材料因其全新物理机制和奇异声学现象而备受关注,超构表面也以其亚波长几何厚度优势和波操控能力给很多传统声学问题带来了新思路,例如对衍射和散射抑制的探索,基于超构表面的无衍射波束和各类非互易声学器件应运而生。声学拓扑绝缘体更因其拓扑传输现象对缺陷有着极强免疫特性而引发了研究热潮。本论文聚焦于波束抗衍射和背散射抑制这一声学基础问题开展相关研究,包含了基于超构表面的共轴涡旋声束通信方案及偏心解决方法、各类有限能量无衍射波束的产生与调制、声陈绝缘体的独特物理原理与受拓扑保护的声学单向边界态的实验研究,这些探索在无损检测、超声成像与诊疗、水声通信与目标检测等方面具有潜在应用价值。具体研究内容为:基于声学轨道角动量的声通信给传统声通信机制的带宽带来了极大地提高,本文实现了利用单层声学超构表面对基于共轴涡旋声束通信接收端的解旋和调控一体化,将不同阶数的涡旋声束加载的信息解旋后导向空间中不同的位置,这一工作利用了不同阶数涡旋声束间的正交性,在不同阶数上叠加不同的调控相位,保证了使用被动式结构的接收端也能够进行高效地涡旋声束解旋,且不同阶数涡旋声束间的串扰非常低,保证了每个声通道的信噪比。更进一步,为了解决共轴涡旋声束的发射面和接收面之间存在横向位移时传统解旋机制失灵的难题,本文提出了基于声学超构神经网络的解旋方案,通过多层超构表面来模拟神经网络对物体的分类,多层超构表面接收入射的共轴涡旋声束,并将不同阶数的涡旋声束聚焦在接收面上与阶数对应的不同区域,实现了对不同阶数偏心涡旋声束的“智能”解旋,并且经过海量偏心涡旋声束数据训练的多层超构表面结构能够处理发射面和接收面间轴向距离变化的情形,保持对不同阶数涡旋声束的高识别率。针对无衍射声束的产生和调控进行了探索,利用有限能量的非傍轴马丢声束在线声源上对称发射,马丢声束的主瓣能够沿着预设计的椭圆轨迹传播,在中间区域形成了良好的聚焦效应,且这一聚焦的发射面中央区域是没有声束经过的。将线声源转换为面声源后,实现在三维空间中的聚焦声束,且这一声束不需要叠加额外的声透镜,利用的是马丢声束的自加速效应。此外,通过声线理论产生了声束主瓣轨迹可控且横向声压分布对称的类贝塞尔声束,能够在无衍射传播距离内,保持声束横向截面上分布为贝塞尔函数形式,并且声束主瓣沿着预设计函数路径传播。这两类声束的主瓣传播轨迹都可以通过预定义函数进行控制,其自加速和无衍射特性有望在粒子操控等方面产生应用。声学拓扑绝缘体的相关理论和实验工作近年来成为了备受关注的研究热点,拓扑绝缘体中的边界态更是为声学体系中很多受背向散射困扰的问题提供了全新的解决方案。针对现有理论机制中构建声陈绝缘体时存在的多环流复杂动态同步调制、高速环流的不稳定性及环流本身产生噪声等难题,本文提出了利用高品质谐振腔体降低转速,增强非互易效应的新物理方法来打破时间反演对称性,仅使用简单的旋转人工结构来精确引入稳定且均匀的流场,并巧妙利用谐振腔的高阶振动模态来显著降低转速要求,避免了现有方法中难于克服的问题,从而使得实验实现和未来应用成为可能。基于此,成功在实验上实现了声陈绝缘体,并观察到了受拓扑保护的声学单向边界态。此类边界态能够有效抑制背向散射,并对缺陷有着极强的免疫性,其单向特性对输入声波模态无要求,在实验上产生了声学类量子霍尔效应。