当管路分离剪切流动与腔体声学驻波模态相互耦合时,会产生严重的噪声辐射、结构振动甚至疲劳断裂等问题。而这种深腔涡声耦合现象常常出现于航空航天、电力能源、交通运输及国防军工等重要的工程应用领域,严重影响着工业设备的操作规范和使用寿命,是相关工程设计中不可忽略的考量因素。毫无疑问,通过系统的研究来揭示管路深腔中涡声耦合现象的发生机理及其时空演变特征等是十分必要的。本文旨在通过先进的流动测量手段对深腔涡声耦合调制下的自持振荡流场进行系统的实验研究。实验中,以工程中常见的同轴排布的直角型和圆弧型深腔结构为研究对象,首先搭建了高精度的粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)平台;其中,为了消除实验中深腔交叉壁面导致的照明阴影区域,本文开发了涵盖光线追迹法和光学视窗迭代优化设计的光场强化方法,完美呈现了涡声耦合流场特性分布特征。随后,本文采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实时信号处理系统,结合锁相PIV方法,成功获取了涡声耦合旋涡动力学与深腔驻波时频振荡之间的动态相位响应关系。最后,本文还运用了空腔声模态理论和霍尔气动声学理论,揭示了空腔涡声耦合状态下流场和声场之间的能量传递规律。研究表明,本文开发的PIV光场强化方法可以有效地解决光场照明阴影问题,以获得完整的目标速度场信息,为涡声耦合问题分析提供详尽的数据保障;涡声耦合现象发生时,深腔内的压力脉动强度显著提高且沿深度方向递增,深腔底部的压力脉动强度远高于主流动压头;声学驻波调制作用下,深腔开口附近出现明显的剪切层振荡行为,大幅度增加了该区域流场的速度和涡量脉动强度,伴随着强烈的旋涡脱落现象;深腔开口附近的脱落旋涡在涡声耦合主导的自持振荡流场中朝着深腔内部输运,其强度和空间尺度在一个声学驻波周期内先增大后减小,这种旋涡动力学和深腔驻波振荡之间的明显动态响应关系与流场和声场的能量传递过程有着直接的联系。受到康达效应的影响,圆弧型深腔内的剪切层振荡强度和旋涡输运深度均大于直角型深腔,导致其涡声耦合强度较直角型深腔明显提高,在工程管路深腔的设计中需特别注意。