涡旋声束是一种具有螺旋状波前的特殊声波,具有环形声压分布,且中心相位奇点的声强为零。声涡旋携带轨道角动量,可以传输给物体产生旋转力矩,实现物体的旋转操控。涡旋声束由具有环形螺旋相位的声束合成,声源辐射的声压和相位对涡旋声束的形成起着关键的作用。相控和聚焦技术能够将换能器的能量汇聚到焦点处形成毫米尺度的声涡旋,具有更大的径向梯度力和轴向声辐射力,能够实现物体的精确稳定捕获,在物体操控中具有重大的实际应用价值。但是,当声传播遇到障碍时会产生声反射、散射和吸收,这会影响涡旋声束的声场分布,降低声场的能量,甚至破坏聚焦声涡旋的螺旋相位和环形声压。作为一种无衍射波,艾里波束具有自加速传播的性质,它能沿弯曲轨迹传播并伴随自愈合特性,可以将声波绕开障碍物,沿着设定的轨迹传播,还能实现多自弯曲波束的自弯曲传播和聚焦。本文将自弯曲艾里波束和相控声涡旋技术有机结合,基于环形分布的扇形平面换能器阵列,提出了一种基于自弯曲艾里波束的聚焦超声涡旋的构建方法,形成了具有避障功能的瓶状波束,并在障碍物后实现了聚焦超声涡旋,这种声场可以避开组织器官和骨骼的影响,在超声治疗和物体操控中具有良好的应用前景。首先,基于Helmholtz方程研究了声波动方程的无衍射艾里函数解,构建了有限能量且带有初始入射角的艾里波束波前函数,并推导出艾里波束的传播轨迹方程。基于点声源声辐射以及声线计算,将入射波束的相位差转化为声传播的距离差异,设计了基于艾里函数的一维相位调制波纹结构,对声源进行相位调控。随后将一维波纹结构拓展为二维扇形与环形相位调制结构,并通过面元积分得到了声压公式。基于相位编码声涡旋技术,利用环形相位调制波纹结构对相控扇形换能器阵列所激发的声信号进行相位调制,设计了一种具有自弯曲瓶状空腔的聚焦超声涡旋。通过数值模拟,对比了线型、扇形和环形相位调制波纹结构所形成波束的声场分布特性,并结合波束轨迹方程研究了声束弯曲轨迹的影响因素,讨论了涡旋拓扑荷对声压分布的影响。研究结果表明,瓶状波束随相位调制波纹结构倾角的增大而更偏向入射面,弯曲程度随艾里函数横向尺度的增大而提高,但不受扇形角度变化的影响;非零拓扑荷聚焦超声涡旋的中心轴线上声压为0,且其半径随拓扑荷的增加而变大。然后,讨论了基于自弯曲艾里波束的聚焦超声涡旋的可控性及避障能力,通过改变艾里函数的相关参数调控相位调制波纹结构,实现了对聚焦超声涡旋焦点位置与瓶状波束空腔范围的调整,分析了空腔中障碍物对声场的影响,结果证明当障碍物完全处于瓶状空腔内,且不遮挡自弯曲波束时,其对聚焦超声涡旋的声压和相位分布基本没有影响,为聚焦超声涡旋的避障操控提供了理论依据。最后,利用一维艾里相位调制结构的旋转设计环形相位调制结构,通过对八扇区扇形换能器阵列的相位调控,搭建了聚焦超声涡旋实验系统,利用DDS输出八路相位可控的正弦激励信号驱动换能器阵列,通过环形相位调制结构形成八个向中心轴偏转的自弯曲弧面波束,在中轴线上形成中心零声压的聚焦超声涡旋,并实验测量了焦域的声场分布。通过艾里函数参数的调整,设计了两种环形相位调制结构,对比了所形成拓扑荷为0-3的聚焦超声涡旋的声压和相位分布,证明涡旋中心的零声压区域半径随着拓扑荷的增大而变宽,其主瓣能量逐渐减小;通过聚焦超声涡旋的焦距、焦域以及焦点声压等参数的比较,证明了聚焦超声涡旋声场分布的参量可控性和优化必要性;以不同大小和位置上的刚性球为障碍,测量瓶状波束和聚焦超声涡旋的声场分布,验证了障碍物对聚焦超声涡旋的影响规律。本文基于一维艾里相位调制波纹结构的旋转,利用扇形平面活塞换能器形成了自弯曲声束,并结合环形声源的相位编码声涡旋技术,提出了一种具有瓶状避障空腔的聚焦超声涡旋,可以在超声治疗和药物操控的过程中,避开重要脏器和骨骼的影响,引导粒子沿弯曲轨道运动并在焦域积聚,为超声涡旋的生物医学应用提供新技术。