声波在流体(如空气或水)中的传输特性依赖于流体的声学参数(即密度和模量),因此产生超越常规物理特性极限的新颖材料参数对于特殊声波操控的实现至关重要。超构材料因具有天然材料不具备的超常物理性质,成为近二十年来科学研究领域的热点之一。由于超材料物理特性主要依赖于超材料的结构单元而非组成材料的性质,因此有望基于调整超材料的结构参数获得各种奇异的特性参数,如负密度、负模量、双负参数、近零参数以及各向异性参数等。这些奇异的特性参数提供了实现各种新奇声学现象的可能性,如基于负参数材料的超分辨率成像、基于各向异性超材料的反常声吸收及声隐身斗篷等。因此,研究超材料对声波传输特性的影响具有重要的科学意义与应用价值,不仅丰富了声波操控的方式,亦为新型声学功能器件的设计提供新的契机。但由于共振单元的使用,超材料器件通常具有窄带宽、强色散等缺点,而且微结构单元种类的增加也显著增加了器件设计与制备的难度,极大限制了其在实际中的应用潜力。针对超材料研究中存在的上述难题,本文提出了一种螺距梯度变化的螺旋型声学超材料的设计理论并制备了原理性器件,通过数值仿真及实验测量证明了此类超材料具有宽带近零色散的等效声速和密度,并研究了其在透射声波波阵面操控等方面的丰富应用。主要内容包括:第一章为绪论,回顾了声学超材料研究及应用方面的主要进展及遇到的难题,并针对本文研究内容介绍了声学超材料等效参数计算的相关理论。第二章提出了一种宽带声学超耦合器的设计理论。首先回顾了声学阻抗匹配材料的发展及遇到的难题如尺寸过大、带宽较窄以及外观不平坦等问题,然后提出了一种解决因波导材料参数和横截面积均不相同所带来的阻抗失配问题的设计方案,并基于几何参数(如直径或螺距)梯度变化的螺旋型声学超材料实现了阻抗梯度变化的亚波长宽带声学超耦合器的设计。在一个较宽频率范围内,基于上述声学超耦合器在阻抗失配的两段波导间获得了近100%声传输效率,实现了宽带阻抗匹配。第三章研究了基于螺距梯度变化的螺旋型超材料的非色散声波阵面操控。首先简要回顾了声波波阵面操控的发展历程,指出之前的波阵面操控中存在带宽窄及色散等缺陷。然后提出了声波非色散操控的基本理论,解析上证明了实现非色散的声操控需要使得材料满足线性的相位响应,最后基于螺距梯度变化的螺旋型声学超材料分别从理论和实验上演示了非色散声聚焦以及异常声折射两种不同的波阵面变换现象,实现了声波波阵面的非色散操控。第四章研究了基于螺旋型声学编码超材料的声波波阵面操控。首先简要介绍了编码超材料的发展历程,指出编码超材料器件具有设计和制作流程简单等优点,但目前的声学编码超材料仍存在工作频带较窄等缺陷。基于螺距梯度变化的螺旋型声学超材料设计了 8种不同的编码单元,这8种编码单元特定的频带范围内具有恒定的相位差。然后基于上述编码单元从理论上实现了声波的聚焦、异常折射及涡旋声束,实现了声学编码超材料对透射声波波阵面的丰富操控。最后在第五章给出了本文研究的主要结论和对今后工作的展望。本文工作的主要创新点在于:1.提出了一种具有亚波长尺寸的宽带声学超耦合器的设计思路,仅需要两种阻抗相差较大的声学材料即可有效解决因材料参数和横截面积均不相同所带来的宽带阻抗失配问题,显著降低了实际制作梯度阻抗材料的难度,同时,所设计的宽带声学超耦合器具有小于工作波长的尺寸以及平坦的轮廓,这些优势将有助于器件集成及提升其实际应用潜力。2.提出了一种透射声波波阵面的非色散操控方案,在宽频范围内,所实现的声聚焦焦点位置和异常折射声波的折射角度均不会随频率发生变化。所设计和制作的器件同时还具有轮廓平坦、重量轻、构造紧凑、透射率高等优点,且单元横向尺寸达到最小理想工作波长的0.6倍,相对于传统超材料器件工作频带更宽。3.提出了一种基于螺旋型编码超材料实现透射声波波阵面操控的设计方案,大大简化了超材料器件的设计和制作流程。相对于现有编码超材料器件,所提出的编码单元还具有更小横向尺寸和更宽的工作频带,这些优点将有助于编码超材料器件尺寸的小型化及提升其实际应用潜力。