声学超表面是由离散化的人工微结构单元按照一定的序构排列而成的低维化声学超材料,具有亚波长的总厚度,可以有效地调控声波的传播与衰减,实现多种新颖的声学功能。因此,在声场重建和低频降噪等方面具有重要的应用前景。然而,传统的声学超表面及其单元通常具有预先设定的几何结构,一旦制成就无法改变。这导致了其固定的工作频率和单一的声学功能,或者仅在设计的目标频率附近存在很小的频带响应,并且随着工作频率偏离设计目标值,结构的声学表现也会相应削弱。若希望更改工作频率或转换声学功能,则必须重新进行单元设计和结构组装。为突破上述限制,本文基于螺旋匹配机制,以反射声场的宽频和多功能调控为目标,设计了若干连续可重构的超表面单元,并对二维平面或曲面形式以及三维圆形或方形阵列的声学超表面进行了系统的研究。主要内容和结果如下:(1).通过将一个匹配旋塞自下而上地旋拧进相应的螺旋通道中,设计了一种具有连续可重构特性的声学超表面单元;建立了该螺旋单元的有限元数值模型和等效理论模型,并加工制作了圆形实验样品;通过全波场数值模拟和实验测量,讨论了平面型声学超表面结构的宽频可调性和多功能性;对于不可避免的调节误差,进行了系统的敏感性分析,并探讨了结构参数对单元相位响应的影响。结果表明:通过改变螺旋深度参数可使相位变化覆盖完整的2π范围,并且数值、理论和实验的相位响应结果具有很好的一致性;基于该平面结构,实现了包括异常反射、任意点聚焦和自弯曲波束在内的多种可调声学功能。(2).利用上述可调螺旋单元,设计了曲面型连续可调的声学超表面结构;推导了用圆弧形超表面实现地毯隐身和地面幻象的相位分布函数;通过数值模拟和实验测量,展示了宽频可调超表面的隐身和幻象效果;构建了三维球形超表面斗篷,并提出了具有可编程自动控制功能的自反馈系统的概念性设计。结果表明:通过相位延迟或补偿,圆弧形超表面可以有效恢复已扰动的反射平面波场或模拟任意形状的凹凸地面;证实了该结构对于多发多收的大角度斜入射探测信号依然有效;在不同频率下,单一可调曲面结构的隐身和幻象功能在实验和模拟中均具有很好的一致性;证明了热粘性损失效应在该螺旋单元和声学表现中是可以忽略的;通过可编程的概念性设计,为隐身和幻象的宽频实时可调操作提供了思路。(3).通过将24个匹配旋塞旋拧进相应的螺旋通道中,设计了一种连续可调的声学超表面涡旋发生器,理论分析了在半径一定的圆形波导系统中生成的稳定传播的声涡旋场;构建了径向三环单元的理论和数值模型;进行了声涡旋场的数值模拟和实验测量。此外,文中还讨论了热粘性对单元特性的影响。结果表明:所提出的螺旋单元具有连续宽频的相位调制能力;得到了对应于多阶涡旋态的限制频率;基于单一可重构的超表面结构,既可以在不同频率下分别产生携带不同轨道角动量阶数的声涡旋,也可以在单一频率下依次生成相应的多阶涡旋场;相对于自由空间中的声涡旋场,说明了在波导系统中生成的涡旋信号具有远距离传输的优势。(4).利用声栅通道和内部吸收器组成的双参数可重构单元,设计了一种无需多孔吸声材料的有损可调超表面结构;分析了简单有损单元中幅值和相位调控的物理机制;通过选择不同的几何参数,实验测量了可调单元的反射幅值和相位响应;讨论了三维有损声学超表面结构的宽频可调性和多功能性。结果表明:基于独立的幅值和相位调控,实现了包括无寄生散射的异常反射、多平面声学全息和宽频全息成像在内的多种声学功能;通过在不同频率下对每个复杂图像的成像质量进行了定量评价,说明了该超表面可以表现出高保真的全息效果;提出了具有可编程自动控制功能的超表面全息成像系统的概念性设计,为任意声全息图的宽频实时可调操作提供了思路。总之,本文针对宽频声学超表面的可重构设计,及其对反射声波的连续可调控制,扩展了传统超表面结构的应用领域,为空间声场的精细调制提供了重要的理论指导,也为新型声学功能器件的设计和性能改进提供了设计基础。