声涡旋是一种具有螺旋相位,中心声强为零的沿中心轴螺旋前进的波束。涡旋波束独特的声场特性以及其特有的轨道角动量使其在粒子操控和声学通信领域中都展现出广阔的应用前景。基于此,本文重点围绕声涡旋产生机理、涡旋声场影响参数、轨道角动量编解码原理与实验方法等方面展开了研究,以探索一种新型的声学通信方法。根据声涡旋的基础理论,对涡旋声场产生机理和影响参数进行了分析和研究。建立了16个阵元组成的阵列式声涡旋声场模型,分析了不同拓扑荷数以及声源频率对涡旋声场形态的影响机理。同时对拓扑荷数相反型双拓扑荷数涡旋波束、符号相异型双拓扑荷数涡旋波束和符号相同型双拓扑荷数涡旋波束进行了仿真分析和研究,分析结果表明双拓扑荷数涡旋波束具有中心涡旋和子涡旋,其独特的声场形态为轨道角动量编解码方法提供理论和实验依据。在双拓扑荷数涡旋波束的基础上,研究了以轨道角动量作为声通信正交基的可行性。以幅度调制和轨道角动量编码为基础,提出了幅值-OAM编码和高低位-OAM编码两种编码方式,解决了轨道角动量编码受到声源数限制的问题。最后,根据上述研究内容,搭建了16路环型换能器阵列实验系统,首先验证了声源频率和拓扑荷数对于涡旋声场的影响,并与仿真结果进行了对比:仿真结果和实验数据具有高度的一致性,即在频率1000Hz,采样圆环半径300mm处的声涡旋形态更适合于轨道角动量编解码实验。基于此,开展了轨道角动量编解码实验与改进的OAM-编码和高低位OAM-编码实验,实验结果表明:在阈值为0.5的条件下,解码柱状图中的无效数据分布在0～0.3之间,有效数据分布在0.7～1.2之间。实验表明了在信道扰动较小并且声源个数受到限制的情况下,两种数据可以有效区分,验证了OAM-编码以及高低位-OAM编码应用于声学通信的可行性。综上,通过对声涡旋声场的研究,明确了拓扑荷数和声源频率对其声压幅值和相位产生的影响,为涡旋声场形态影响机理提供了仿真和实验依据。在双拓扑荷数涡旋波束基础上开展的轨道角动量编解码研究,验证了轨道角动量作为声通信的一种新的自由度的可行性。