随着生物细胞、材料化学和精密电子等产业的快速发展,对于目标物体的操控要求也越来越高,安全、无损伤的声操控就是在各领域得到广泛应用的一种非接触式操控方法。但目前传统超声驻波操控的方式操控灵活性差,且需要繁琐的声发射元件,这限制了声操控在各领域的应用。本文以阵列超声的操控为研究对象,基于阵列超声建立阵列超声的操控模型,对模型进行优化求解,从仿真和实验的角度验证阵列超声操控模型,实现对粒子的三维空间操控,并对操控粒子的运动状态进行分析。针对阵列超声换能器声场及可视化问题,本文从声波的波动方程出发,推导单点声源在空间中的辐射模型,计算圆形活塞式换能器的声场辐射模型;根据超声阵列每个换能器的空间位置和声波的叠加性质,获得阵列式换能器的声场模型。通过阵列式换能器的辐射模型,利用Matlab对阵列换能器声场进行可视化仿真,并分析单个换能器和阵列换能器声场的分布特征。针对阵列超声操控模型及其求解问题,从物体声势能的角度构建粒子在声场中的操控数学模型,提出使用遗传算法作为相位优化的解决方案,并使用基于图像测量的方法对操控粒子时的运动状态进行分析。从物体在声场中操控机理入手,分析了声场中的物体在所受声辐射力,得到粒子在阵列声场中的操控模型,为了得到模型的相位解,使用BFGS算法对模型进行求解,进而引入遗传算法对大规模阵列的操控模型进行求解。对相位结果进行可视化仿真,并分析模型参数和操控点位置对操控性能的影响。根据操控声场的声压分布,提出了等效弹簧振子模型,分析影响操控粒子稳定性的因素。仿真对比实验表明,相比传统求解方法,使用遗传算法能够快速得到大规模阵列的结果,对阵列式操控模型的优化求解具有实际意义。最后,本文设计了基于FPGA的相位控制系统,搭建驱动电路、换能器阵列、相机等硬件平台进行了聚丙乙烯小球的捕获和移动实验,实验结果表明,所构建的操控模型及其优化求解方法能够稳定操控粒子。