近年来,电磁学、光学领域关于超构材料、超表面的研究引起了广泛的关注。通过人工设计组成超材料的亚波长结构单元,可以使超材料在宏观上出现自然界中材料不存在的参数分布,例如各向异性的材料常数,负介电常数,负磁导率等。声波波动方程和电磁波波动方程具有一定的相似性,同样可以通过设计亚波长声学结构单元,获得具有特殊参数分布的声学超构材料,使其具有负弹性模量,负质量密度等。这种构造自然界不存在的材料参数分布的方法,极大的丰富了人们对声波操控的能力,实现了很多新奇的声学现象。例如通过控制超表面上透射波、反射波相位及幅度分布,实现异常折射（反射）、声超透镜聚焦、声全息成像等功能;构造近零折射率材料实现声波在狭窄区域的隧穿和声隐身;构造多频率共振结构实现宽带声吸收等。不仅如此,声学超构材料在噪声控制、声粒子操控、声通信等领域也有着极大的应用前景。这些操控声波的手段,大多是控制声波能量在空间中的传播方向或是在空间中的分布,除此之外,声能操控还包括采集空间中声波所携带的能量。与太阳能、水能、核能、生物能等常见能源不同,空气中声波所携带的能量密度较低,并且由于换能过程中存在阻抗失配的问题,采集并利用空气中的声能习惯性地被人们忽略。但在一些特殊的环境中,例如飞机引擎附近,嘈杂的十字路口,这些环境中声波所携带的能量较大且持续,收集这些环境中的声能量是具有潜在应用价值的。对于一些MEMS器件而言,其工作需要的能量很小,声能可以被收集用于给这些微电子器件供电或储存在电容中以备使用。而在一些不方便或是无法用电磁波输电的环境中,声波可以作为替代成为这些环境中的输电媒介,这个过程中也涉及到声能量的收集。这些例子说明空气中的声能收集研究具有潜在的应用价值。现阶段声能量收集研究主要集中于收集固体中的振动能量,而收集空气中声能的研究并不丰富,这是由于声波能量从空气进入换能器时存在严重的阻抗失配,这给空气声能量收集带来了很大的困难。为了解决阻抗失配的问题,现有的方法是利用结构共振,例如悬臂梁共振高声电转换效率。但共振的引入不可避免的导致这些声能收集装置工作频率单一,对低频效果差,体积较大,这些不利因素降低了声能量收集装置的实用性。结合近年来声学超构材料的发展,本文研究了利用声超材料操控声能的方法,其一是利用声超材料构造声波导对声能流进行操控,其二是设计了两种能够局域声能的声超表面并用于空气声能量收集。本文主要包括以下内容:第一章为绪论,首先介绍了声超材料和超表面的基本原理和设计方法,介绍了声能量收集的原理和研究进展。第二章出了一种利用声超构材料构造声波导并操控声能流的方法。这种声波导不会阻碍波导内外媒质连续,波导边界响应为带阻型,利用这一特点,实现了对具有三种频率混合入射声波的频率分离。并在理论、数值模拟和实验中验证了出的想法。第三章出了一种基于耦合赫姆霍兹共鸣器的超薄宽带声能收集超表面。利用偶极反射声场声超表面局域声能,在相邻腔体内构造出相位差,作为腔壁的压电复合片受到两侧腔体“推拉”效应高效输出电能。由于“推拉”效应具有一定的带宽,这种声能收集器具有460Hz-680Hz工作频段,具有宽频响应特点,其还具有超薄、高对称等特点。第四章出了一种可以将声传播波转化为声表面波的声超表面,并将其用于空气声能量收集。利用声超表面将入射声传播波转化为声表面波,布置于超表面上的压电腔体将表面波能量转化为电能进行输出。设计时将超表面工作频率与压电腔体共振频率对齐,这种声能转化超表面具有高效、高对称的特点第五章出了一种利用压电材料构造主动可调声超表面的方法,并展示了两种设计结构。利用压电材料的声-力-电耦合特点,通过调控压电材料两侧的电学边界条件,改变了压电结构的声阻抗,进而影响了结构的反射,透射相位,对声波前进行调控,形成了特殊声场。第六章总结了本文的主要研究内容并出了对未来工作的展望。本文的主要创新点在于:1、利用声超材料构造新型声波导操控声能流。空气中很难寻得完美软边界,即压力释放边界。通常的声边界为硬边界或阻抗边界,这些边界会分割所处媒质空间,阻碍边界两侧物质交换,不仅如此,有时构成边界物质的特性阻抗和媒质阻抗相近,这些边界难以完美的反射声波。这些边界构造的波导无法实现波导内外物质交换,在声阻抗率相近的媒质中还存在声泄露的问题。本文基于声超常材料出的声学软边界,在厚度上深度亚波长,所构造的声边界不会阻碍边界两侧媒质进行物质交换,其反射特性接近压力释放边界,其反射频响曲线呈带阻形态,所构造的声波导可以实现分频效果。本文通过理论,数值仿真和实验展示了这种声软边界的特点以及所构造声波导的分频效果。2、利用声超表面局域声能并用于空气声能量收集。由于阻抗失配的原因,空气中声能很难进入换能器内部,为了解决这个问题,传统的方法是利用悬臂梁结构,这些结构体积较大且工作频率单一。声超表面的研究为亚波长结构吸声,拓宽响应频带出了一些新的可能和方法。本文设计了两种声超表面用于局域空气声并进行能量收集,它们分别基于耦合共振和传播波-表面波转换的原理,两种设计均可以将入射波能量局域在声超表面界面上,与此同时,作为超表面部分结构的压电换能器可以将这些被局域的声能量转化为电能输出。基于耦合共振原理的声能收集超表面具有宽带,高度对称的特点,基于传播波-表面波转换原理的声能收集超表面则具有较高的输出效率。这些设计丰富了声超常材料在不同领域的潜在应用可能,也为空气声能量收集供了一些新的方法和思路。3、利用压电材料构造主动声超表面。波前操控主要利用有源相控阵方法和人工结构方法,它们都存在很显著的优势和劣势。前者主动可调,但电路复杂成本高昂;后者便宜稳定但是功能单一。为了解决这个问题,我们出了一种利用多物理场耦合材料设计声人工结构的方法,利用压电材料的声场-力场-电场耦合特点,我们通过改变压电材料的电学边界条件,改变外界电路电阻抗影响材料声阻抗,从而实现了对反射波、透射波的调控。我们在数值模拟中展示了两种设计方法以调控反射波和透射波,同时也对单元进行了实验,验证了可以通过调节电路负载控制声阻抗的设想。