声镊是一种利用声波的力学效应对微小物体进行非接触操控的技术,其物理基础是由于超声波叠加形成高强度驻波声场,在声场中的物体与声波会发生动量和能量的转换,从而产生控制微粒运动的力。超声波操控物体具有非接触、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,在精密制造、生化分析、精准医疗、模拟微重力环境等领域具有广阔的应用前景,在微小物体操控方面占据有重要的位置。本文首先根据质量守恒定律、物态方程和牛顿第二定律推导出理想情况下声场中的压强、温度和体积之间的关系,然后推导出声波的波动方程。在此基础之上,通过Gor’kov超声驻波理论推导出两种不同声场中媒质质点的振动速度、声压、时间平均势和受到的声辐射力的表达式,分析在声场中物体悬浮的稳定位置。对单换能器结构和双换能器结构进行对比,确定超声驻波悬浮和操控物体的方案。其次研制半波长纵振夹心式换能器,主要包括半波长振子和变幅杆的设计及优化,由理论推导确定半波长振子的各部分尺寸,由理论推导结合仿真确定变幅杆的各部分尺寸。对换能器的模态进行有限元仿真,验证夹心式换能器是否满足设计要求。确定换能器满足设计要求时,将其零件加工制作并组装成一个换能器。然后使用COMSOL对双换能器的声场进行有限元仿真分析,建立声场模型,仿真得到声场中声压、时间平均势和声辐射力的分布,验证超声驻波声场对物体的悬浮能力。通过改变声场中的参数,观察声场中声压、时间平均势、声辐射力和粒子轨迹的变化,证明通过改变相位差操控小球移动方法的可行性。最后搭建声镊系统实验平台,首先进行单换能器和双换能器的悬浮小球实验,对比两种结构的悬浮稳定性,得到声场中小球稳定悬浮的位置。其次在辐射面距离为声波半波长和一个波长的情况下,进行改变相位差移动小球的实验,验证双换能器超声驻波操控小球方法的正确性。最后进行补偿前后的小球移动轨迹实验,验证非线性补偿方法的有效性。