声学超材料是近年来提出的一种人工超构材料,被进行了广泛深入的研究,因为它们具有自然材料中很难或不可能实现的特性,这为改进或全新的应用打开了一扇大门。例如声学超材料透镜可以超越衍射极限,实现亚波长成像效果。其原理是利用单元结构在共振时表现出的负折射率,使凋落波参与成像,从而提高分辨本领。但是,共振时带宽极窄而且损耗较大,所以用这种思路设计的超材料器件不可避免的会表现为频带窄、损耗大的特性。本论文旨在设计非谐振宽带声学透镜,使人工声学超材料在声学器件设计中发挥其更大的作用,并为今后的应用提供新的思路。本论文研究了一种基于波前变换的声学超材料透镜的设计方法,设计了三款不同功能的宽带声学透镜,并进行了数值模拟的验证。主要工作包括以下几个部分:(1)基于一般透镜波前变换的方法,设计了一款声学二维宽带低损耗平面透镜,该透镜可由具有硬边界的梯度折射率亚波长人工结构实现。在本文中,将波前变换思路应用到其他功能型透镜设计中,通过最小化各向异性因子使合成材料近似各向同性,设计出符合需求的单元结构。结果表明,在一定的频率范围内,该功能型透镜具有良好的波阵面调节性能。(2)设计两款梯度折射率透镜,分别实现了平面波的偏折与发散。通过等效介质模拟和单元结构填充到透镜的数值模拟,所设计的偏折透镜和发散透镜在宽带频率范围内可以实现平面波偏折和发散调控的功能。该技术可推广到不同的声学器件,具有较广泛的应用领域。(3)设计了一款梯度折射率透镜以实现贝塞尔声束,即来自点源的波被重塑为贝塞尔声束,能量集中在轴向附近,几乎没有发散。通过对阻抗匹配理论的分析,得到了梯度折射率的二维分布。由于与空气的阻抗匹配,界面反射显着降低。用有限元方法仿真模拟,证明了该贝塞尔声学透镜可在宽带频带范围内工作。该方法有望为医学超声成像和信号检测提供新的思路。