水下载人与无人航行器亟需解决舱外噪声对舱内的影响和敌对声波干扰与探测从而提高水下航行器的隐蔽性和安全性问题。故研究一种能够对低频声波实现较高的吸声系数的覆盖在水下航行器表面的消声覆盖层对提高水下航行器的隐蔽性与安全性具有十分重大的意义。本课题以实现低频高吸收系数为目标,结合在水下吸声超材料应用广泛的空腔型结构和空气吸声领域中低频吸声性能优良的非对称薄膜结构,设计一种膜腔耦合型水下吸声超材料,首先优化设计出最佳的空腔型结构,再探究如何结合非对称薄膜结构提高整体结构低频吸声性能。在理论部分,以本文研究的超材料基本结构,即空腔结构为研究对象,推导得到了均匀黏弹性材料吸声性能的影响因素,为后续基体材料的选择奠定了理论基础;以等效参数法,推导了内含圆柱型空腔结构的等效复波数,得到了影响结构吸声性能的主要参数,为后文的设计提供了理论指导;最后还推导了基于能量法的材料吸声系数计算方法,为后文的研究提供了计算吸声系数的简便计算手段。在理论推导的基础上,选择以聚脲材料为基体材料,在有限元软件中建立数学模型,采用遗传算法对空腔型结构的结构参数进行一系列优化设计并研究了3MPa静压下超材料的吸声性能,最终得到了四个在3MPa下仍能保持平均吸声系数大于0.6的空腔结构;同时还设计了空腔型超材料制备工艺,并制备了基于聚脲材料的空腔型超材料样品。在得到四个耐压的空腔型超材料结构之后,为了进一步提高超材料的低频吸声性能,在原有结构中引入了薄膜结构,采用遗传算法,对薄膜参数进行优化设计,结果显示薄膜的引入能够有效提高超材料的低频吸声性能和整体吸声性能;然后基于此,在薄膜上附着非对称质量块破坏薄膜原有振型,提高薄膜振幅,仿真结果显示,非对称质量块的引入进一步提高了超材料的吸声性能,最终得到了最优的膜腔耦合型水下吸声超材料,平均吸声系数最高可达0.729。