声波对物体的悬浮和操纵在化学、生物学、材料科学和工程中有着广泛的应用,它具有非接触、生物兼容性好、无需对微粒进行化学生物标记、装置简单易集成等优点。近年来,声悬浮技术取得了很大的进展,目前已经有了许多在空中操纵悬浮物体的声悬浮方法。声学悬浮也不再局限于小物体,现在可以用来悬浮比声波波长大的物体。对于大颗粒物体悬浮的技术一直是研究的重点,突破粒子尺寸的限制进行粒子悬浮与操控,其应用的领域和范围将更加丰富和广泛。本文设计并搭建凹球面阵列式的悬浮装置,围绕悬浮目标受限于粒子尺寸的问题,面向尺寸大于声波波长（8.6mm）的大颗粒,深入研究相控阵声悬浮的原理,将声场优化方法与相控阵几何形状的扩展结合,通过构建开放球扇形结构的超声阵列,形成一种特殊的声场—涡阱声场。通过快速切换声涡的方向,产生虚拟声涡,实现大颗粒的稳定悬浮,突破以往声悬浮技术局限于悬浮粒子大小的问题。为产生基于超声辐射力场的悬浮技术,需要建立阵列式换能器的空间声场模型。因此,本文从入射声场和散射场出发,得到粒子在声场中所受到的声辐射力与扭矩,建立大颗粒在声场中的受力模型。利用仿真探究了双阱、涡阱以及无声阱三种声场。基于3D Acoustic SIM软件模拟仿真不同结构阵列的超声波声场,探究不同探头数目、不同粒子尺寸、不同阵列排布三个因素对声场的影响。通过分析不同情况下,声场中声辐射力和声压的大小,最终确定超声阵列的硬件模型。同时对涡阱声场进行分析与研究,分析了两种涡阱声场——规则涡与虚拟涡,通过分析两种声场的生成方式的不同,探究粒子在两种不同声场下的悬浮状态。结合旋转粒子动力学,通过粒子尺寸与系统动力学的关系,确定虚拟漩涡的切换率,并基于硬件设备对声涡的方向进行控制,通过快速切换声涡方向,产生虚拟声涡,从而可以稳定捕获各种尺寸的颗粒。本文研究的实验部分包括超声相控阵的搭建、阻抗匹配电路的设计、软件代码的编写。超声阵列平台由四个模块组成:为系统供电的电源模块、以FPGA为控制器的主控模块、对FPGA输出信号进行放大的功率放大模块、发射超声与实现粒子悬浮的凹球状阵列悬浮模块。对搭建的超声相控阵进行阻抗匹配电路设计,通过匹配电感,满足系统在电路结构上的谐振,使得电路系统能量的最大输出,达到超声驱动板与超声换能器阵列的合理匹配。在实验平台上进行了阻抗匹配电路效果验证实验、声压的测量实验以及粒子的稳定悬浮实验。实验结果验证了声场分析与控制的正确性以及声阱捕获大颗粒的可行性。