微机电系统由于尺寸微型化、功能集成化和性能高端化及具有多学科交叉与批量生产能力等众多优点,已逐步应用于现代社会的不同领域,带来明显的社会和经济效益。伴随着多功能和异材异构混合的复杂微机电系统的发展,面向微机电系统装配的微构件操纵技术已越来越多地受到学术界和工程界的重视,并发展了多类方法手段。其中,基于超声辐射力场的非接触式微操纵技术,不仅可以避免粘附力等对操纵过程的干扰及机械接触对操纵对象的损坏或污染,而且具有适合不同材质操纵对象和非透光操纵环境下应用、可柔性合成声场实现多模式操纵以及相关系统易于集成和微型化等其它非接触式手段难以媲美的优势,成为微装配领域最具发展潜力的方法之一。然而,目前已有的声操纵技术主要针对单构件或单功能来展开,而实际微装配过程中至少牵涉到两个构件的同时操纵,面向的是一种多散射体对象,其散射机理较单散射体更为复杂,如何有效计算这种散射声场及作用于微构件上的声辐射力,在理论层面上还存在诸多挑战。同时,从技术层面上看,尽管针对单微构件的单模式声操纵方法日趋成熟,但是面向单微构件实现多模式操纵及面向多构件实施有效操纵都还缺乏良策,有待进一步深入地研究。因此,目前的声操纵技术还难以满足微机电系统向混合式发展的装配需求。基于以上背景,本学位论文结合国家自然科学基金项目“基于超声辐射力场的三维生物组织直写式制造关键技术研究”(No.51205351)以及浙江省自然科学基金重点项目“基于声操纵的三维自动微装配理论与实践研究”(No.Z1110393),提出开展基于超声辐射力场的多模微操纵理论与实践研究。在系统了解声操纵相关技术研究现状及其发展趋势的基础上,建立任意声场中多散射体散射声场及声辐射力的通用理论表达式,重点开展单声波参数异步调控下的微构件声操纵、多声波参数协同调控下的微构件对声操纵、面向多模声操纵的变区域局部声场合成控制以及基于局部声场合成的非球形微构件姿态无级调控等关键技术的研究,发展一种面向微机电系统装配的多模声操纵技术,并研发一套基于机器视觉伺服的自动化多模声操纵系统,为微机电系统的发展奠定必要的技术基础。具体的研究内容和创新性工作主要体现在:第一章,系统阐述微机电系统的应用、产生的社会与经济效益及开展微操纵技术研究的重要意义,全面分析微操纵技术的国内外研究现状及其发展趋势,确定基于超声辐射力场的微操纵技术为研究目标,并明确该技术在理论、技术和应用层面上所存在的问题及亟待解决的技术瓶颈,为本文的研究指明方向。同时,还对本学位论文的研究内容及其章节进行安排。第二章,开展任意声场中多散射体声辐射力通用理论表达的研究。在建立和求解小振幅声压球坐标系下的波动方程,明确球状散射体散射波传播机理的基础上,通过声场的谐函数展开及结合散射体的边界条件和谐函数加法定理,完成声场中多散射体的散射声场计算。同时,建立基于二阶摄动理论的超声辐射力通用计算框架,推导出声场中多散射体的声辐射力通用理论表达,进而改善其对入射声场形式的适用性。通过改变散射体的声学边界条件,还可实现不同材质散射体的声辐射力计算,为后续研究奠定必要的理论基础。第三章,发展一种单声波参数异步调控下的微构件声操纵技术。在利用多束斜入射平面波干涉叠加构建半空间内三维声场的基础上,确定单散射体所受声辐射力场的分布,明晰微构件的声俘获机理。同时,通过调制的声波幅值,完成固壁上微构件的拾取与释放操纵,并通过控制声波的相位,动态调整声势阱的空间位置分布,带动俘获于声势阱中的微构件水平迁移,进而实现单散射体在三维空间内俘获、拾取及平移的复合操纵。第四章,提出一种多声波参数协同调控下的微构件对声操纵技术。根据三维半空间内声场分布特性,结合多散射体的声辐射力理论公式,分析微构件所受的声辐射力,并通过协同调控三束入射声波的幅值和相位参数动态合成具有不同声势阱位置和间距的声场,实现微构件对的位置和间距控制。同时,以两个球形散射体为对象开展实验研究,实现其位置和间距的可控调整,证实本章技术的可行性和有效性。第五章,提出一种面向多模声操纵的变区域局部声场合成控制技术。在实现局部合成目标声场理论表达的基础上,通过离散孔径模型并结合模式匹配技术,求得声场合成区域边界控制点声压,并利用逆滤波法确定阵列声源激励信号,进而实现操纵空间内变区域声场的合成。同时,利用合成区域范围与截断阶数之间的关系进一步发展一种多区域的局部声场合成技术。最后,通过仿真和实验研究证实本章技术的可行性和有效性。第六章,提出一种基于局部声场合成的非球形微构件姿态无级调控技术。首先,利用多点支撑谐函数分别建立入射声场和散射声场展开系数与散射体表面散射系数之间的关系,确定用于表征入射和散射声场之间关系的T矩阵,进而实现高度非球形散射体的声辐射力矩的快速计算。其次,利用前述局部声场合成技术获得一种强约束高匹配局部目标声场,并通过逆推原理实现其无半径旋转。最后,通过仿真验证非球形散射体的无级调控技术,并以二氧化硅棒为对象开展系列实验研究,证实本章技术的有效性。第七章,开展基于机器视觉伺服的自动化多模声操纵系统及实验研究。在确定系统总体方案的基础上,重点开发基于CameraLink的高帧率CMOS摄像系统、高速图像采集与并行处理卡、基于PXI的多通道程控信号发生模块、多通道线性功率放大模块以及阵列声源模块等,并采用虚拟仪器体系结构,集成开发一套基于机器视觉伺服的自动化多模声操纵系统。同时,利用所研发的声操纵系统开展相关的实验研究,以证实本文所提相关理论与技术的可行性和有效性。第八章,总结本论文的研究成果和创新之处,并对未来的研究进行工作展望。