声学超材料是一种具有自然材料所不具备的特殊性质的人工结构。声学超材料的出现为实现声场的调控提供了巨大的机遇并在过去的十年中取得了很大的进展,如声学隐身、声全息、声波负折射以及声吸收等。近年来所提出的亚波长高折射率结构由于其频率可调、形状稳定、排列规则可控等优点而成为了声学器件中多功能元件的理想选择。利用结构体的Mie共振模态与声波的相互作用,可以实现对声波发射、传输和接收过程的调制。在此背景下,本文重点研究了基于Mie共振原理的声学器件的设计,具体内容如下:本文首先概述了声学超材料的起源,介绍了声学超材料的分类与应用。通过对声学Mie共振原理的阐述以及对其近年来研究进展的介绍,体现了基于Mie共振原理的声学器件在声波调控方面的应用前景。水中声学前向散射现象的实现已经为水下目标检测提供了技术基础,然而如何在空气中实现声波的前向散射是困扰人们的难题。本文利用Mie共振体在平面波入射下的独特散射特性实现了空气中的声学前向散射。以多重散射法为理论基础可以对Mie共振体的散射特性进行分析,利用有限元法则能够对前向散射现象进行仿真验证。进一步地,本文还通过将多个不同参数的Mie共振体进行组合,在更宽的频率范围内实现了声波的前向散射。用亚波长尺度结构调制经典点声源的发射模式是一项具有挑战性的工作。本文基于经典点声源与Mie共振体之间的强耦合作用,设计了一种亚波长定向可调声学天线,并从理论和实验上证明了该天线可以实现2.33倍的辐射声能增强与7.81倍的主瓣方向上的声强增强。此外,本文还通过构建阵列天线进一步提高了天线的单向指向特性。由于Mie共振体具有尺寸小于工作波长以及结构简单的优点,通过使天线围绕点声源旋转,可以很容易地对声波的辐射方向进行调控。为了实现对低频范围的声学超常透射现象的全范围调控,本文还设计了一种基于耦合Mie共振二聚体的阻抗可调超表面。声波的超常透射主要是由Mie共振二聚体间的强耦合作用所造成的。根据声等效电路理论,系统可以根据耦合强度的不同分为过耦合、临界耦合和欠耦合三种状态。当系统工作在过耦合状态下时,会出现频率分裂现象,并在两个共振峰处获得最大的声能传输。随着耦合强度的下降,两个共振峰将逐渐收敛于同一个频率。当耦合强度继续下降时,系统将处于欠耦合状态,透射声能开始急剧下降。本文从理论和实验上证明了Mie共振体间的耦合强度受相互间距离的影响。因此,通过改变共振体间的距离可以实现大范围的阻抗调控。该超表面还具有良好的鲁棒性,具有较好的应用前景。为了突破传统辐射型声传播系统的限制,本文还提出了一种远程低语型声传输(RWAT)系统,能够使处于可听频率的微弱声信号得到大幅度的增强,同时对周围环境产生尽可能少的影响并有效防止声信号的泄露。基于多重散射法的理论模型表明,一对具有高折射率的介质单元可以在目标位置获得明显改善的声信号。在考虑损耗影响的情况下,RWAT系统仍然可以使探测信号得到超过40 d B的增强。与传统自由空间中的辐射型声传输系统相比较,该系统可以使传播环境中的声泄露平均降低20 d B。RWAT系统还可以对被强噪声覆盖的微弱声信号进行还原,自由空间中低于0 d B探测极限的信噪比为-3 d B的信号在RWAT系统中能够将信噪比提升至17.7 d B。本文提出的声传输系统具有良好的鲁棒性、亚波长尺度以及能够将弱声源信号同时传输至不同位置等诸多优良特性。文章最后对论文进行了总结并对本研究未来的发展提出了展望。