声学,它是作为现代科学研究的重要分支。这门学科与现实的生活息息相关,也紧紧关联着医疗、航天和国防等领域。而对于声学的研究目的,最主要是实现便捷、灵活和高效的声波调控。然而,想要完全调控声波也并不简单。由于存在的天然材料,其自然声学属性已经不能满足更为复杂声场控制的需要,因为往往存在着一些限制,例如难以利用小尺寸的结构来调控低频范围的声波或在一个宽频范围内实现声波的操控等。逐渐地,人们急需一些可以任意调控声波与操纵声场的材料。经过研究学者发现,根据需求设计出来的材料,可以得超越自然界材料所属的性质来实现更为丰富且奇特的功能,称这种材料为超材料。声学超表面则是超材料演化而来的前沿领域之一,最关键就是通过设计简单且高效的复合结构材料实现声波波前的灵活调制。本文首先对声学超材料、声超表面的基本概念,以及超表面的研究现状与发展分别作了简要的概述。其次,介绍了声学的基本性质和基本方程,还有超表面设计的方法以及仿真的软件。然后详细地描述了本论文的主要研究内容。我们提出了一种阻抗匹配型的声学超表面,基于该种思想利用设计的超表面实现了对声波波前的多种调控方式,还讨论了根据折射率指数排布实现了转换点声源得到的涡旋效应,且通过模拟仿真验证其有效性,如将点声源转换为涡旋波和不同拓扑荷数的涡旋声场,以及在多个频率范围实现转换体现了其宽频的效果。同时,基于所设计的单层弯曲型超表面,还设计了一种双层弯曲超表面,实现了对涡旋声场的再次调控,并用理论解释了其相位叠加原理的物理机制。此外,我们还通过另一种阻抗匹配型超表面设计了多种类型的声波准直效应,这种超表面可以将点声源发射的柱面波转换成平面波。然后通过排布超表面的方向就可以达到定向辐射的准直效果。最后,我们设计了一种基于亥姆霍兹共振腔型的反射型超表面,通过调节单个参数达到任意调控结构单元的相位,并选择了在2π相位离散化的八个单元,分别实现了声波反射和声聚焦效应。以上的研究结果对于设计声学超表面和设计声学器件有一定的实际意义和参考价值。声学超表面基于亚波长厚度,由于它的小尺寸,结构设计灵活且简单,以这种基础往往更容易产业化与集成化,主要的核心是通过精确的调控声波波前达到相位的排布,来实现对声波的任意操控与产生许多奇特的现象。