声学超材料是一种由亚波长单元结构（如卷曲空间结构、薄膜结构、赫姆赫兹谐振腔式结构等）以周期或者非周期的形式在三维空间中排列而成的人工结构。其中,厚度超薄的二维声学超材料被称为声学超表面。声学超材料可以通过调控各种等效声学参数（等效密度、等效体积模量等）来实现特殊的功能和现象,例如异常的反射和折射。本文以人工声表面波和声学超表面为研究对象,从理论分析、数值模拟和实验验证等多个角度深入研究声学超材料和超表面对声波的调控,制备了一系列具有全新功能的声学器件,并改善了部分现有声学器件的缺陷。主要的研究内容和创新点概括如下:1)将电磁波领域中人工表面等离激元的概念引入声学领域,并制备出厚度为亚波长的声栅。通过优化矩形槽单元结构的几何参数,实现了空间波向人工声表面波的高效率转化,同时维持人工声表面波沿声栅表面传输,该声栅工作带宽覆盖5500 Hz-6100 Hz。在此基础上,设计并制备了一个可以调控人工声表面波传输的双通带声滤波器。该声滤波器可以在5000 Hz-6296 Hz和7650 Hz-8775 Hz之间支持人工声表面波的传输,而在两个频段之间则抑制其传输。2)基于渐变折射率声学超材料,在二维波导中实现了不对称声传输。通过引入米字型单元结构,调整其几何尺寸使其满足折射率分布要求,同时在保证阻抗匹配的前提下,实现了空间波向表面波的高效率转化,并基于该模式转化的单向性,在波导内部放置两组相同的渐变折射率声学超材料,最终实现了设计目标。同时基于表面波的传播特性,通过调节两组声学超材料的折射率,分别设计了声隐身衣和声模式转换器。3)基于编码超表面的理论,设计并制备出具有漫反射效果的声扩散体。该声扩散体具有亚波长的厚度且仅有两种单元结构组成,可以在5800 Hz-6200 Hz的频率范围内实现将反射波能量在空间分散的效果。同时,该声扩散体的单元结构对声波的入射角度不敏感,可以将入射角小于60°的声波的反射波能量分散到空间其它方向上。4)设计了一个可编程的多功能声学超表面,该超表面可以通过一个电机阵列,实现单元结构的反射相位的实时调控。基于对编码进行卷积和加法运算的思想,利用超表面实现了半空间内波束的连续扫描、多波束的无损叠加,以及多波束独立连续调控的效果。最后设计了一个可编程三维声聚焦透镜,该透镜的焦点位置可以在透镜前方的空间内任意移动。