涡旋声场具有螺旋式相位波前和中心相位奇点,可以“隔空”操控生物组织内的物体实现旋转和中心集聚,成为声学领域的热门研究课题之一。由于声涡旋具有良好穿透性,且可以与超声治疗、靶向药物传输、医学成像等应用相结合,在生物医学、材料科学和信息传输等领域显示出巨大的应用潜力。目前涡旋声场及其物体操控研究主要集中在声场的形成和调控、轨道角动量传输、声辐射力和力矩分析、弹性微小粒子的捕获和操控等方面,而传统的物体操控理论研究使用较为理想化的点声源模型,和实验结果存在较为明显的差异,忽略了超声辐射指向性、理想Bessel涡旋声场的可实现性、涡旋声场的轴向操控特性等对物体三维稳定操控的影响,因此涡旋声场的实际应用还存在一些亟需解决的关键问题。本文首先结合点声源模型和相位编码技术,基于声传播的波矢量和粒子振速矢量,研究了不同拓扑荷音频涡旋声场的瞬时轨道角动量分布和声辐射力矩分布特性,模拟了涡旋声场的声压和相位分布,获得了不同条件下圆盘所受到的力矩;基于扭矩平衡和激光偏转技术,建立了声辐射力矩测量系统,对不同拓扑荷声涡旋作用在不同半径圆盘上的力矩进行了测量。研究结果表明,涡旋声场的旋转驱动能力与其拓扑荷以及物体半径相关,相比于轨道角动量,声辐射力矩可以更好的描述涡旋声场对物体的旋转操控能力。接着,为了克服点声源模型的局限性,将指向性声源与相位编码的环形声源阵列相结合,构建了具有轴向多层次粒子捕获能力的超声涡旋,分析了换能器指向性对形成涡旋波节的数量与位置的影响。利用DDS相控系统在水下形成了沿轴分布的超声涡旋,并对其声场特性进行了测量。结果证明,除了指向性声源主瓣在远场所形成的涡旋外,其旁瓣还能在近场沿轴形成多个副涡旋,副涡旋之间涡旋波节波节的数量与位置可以通过声源的频率和半径（k0b）进行调控。然后,针对环形平面分布换能器阵列所形成超声涡旋的主瓣距离远和能量衰减大等问题,提出了环形分布平面活塞声源的倾斜聚焦模型,利用相控声源的主瓣构建了有限区域弱聚焦超声涡旋,并基于声散射和声辐射力理论,对弱聚焦超声涡旋中任意位置物体所受到的声辐射力进行分析,证明其具有大范围粒子捕获和大物体操控能力。利用8个平面活塞换能器制作了弱聚焦声源阵列,通过环形相位控制形成了拓扑荷为1的弱聚焦超声涡旋,获得和模拟结果基本一致的声场分布,并成功实现了直径12 mm范围内的聚乙烯粒子的旋转捕获和位移操控,证明弱聚焦超声涡旋由于具有更宽的操控区域,可以在更大范围内产生声辐射力矩,有利于大范围内的大物体操控。最后,为了进一步完善弱聚焦超声涡旋的物体操控特性,基于声散射和声辐射力理论,提出了一种弱聚焦超声涡旋的圆台近似模型,基于弱聚焦超声涡旋中弹性球体的声散射效应,引入散射速度势,理论研究了物体所受到的声辐射力,获得声辐射力矩和轴向声辐射力的解析解,并对在轴物体所受到的声辐射力矩和轴向声辐射力进行了详细讨论,证明了轴向声辐射拉力的形成条件和位置,获得了其随物体尺寸和声源参数等条件的分布规律。研究结果证明了利用环形分布换能器阵列产生轴向声辐射拉力的可行性及其在物体稳定操纵中的潜在应用。本文基于环形换能器阵列的相位编码技术,从音频段到超声段研究了涡旋声场构建方法和声场分布特性,通过声辐射力和力矩等开展了物体操控机理的探索,拓展了音频声涡旋和超声涡旋的基本理论和声场调控方法,提出了大范围和大物体操控的弱聚焦超声涡旋模型和物体三维操控理论,实现了声源参数对涡旋声场的优化调控,对涡旋声场的物体操控提供了理论指导和实验支持,促进其在医学诊疗中的实际应用。