随钻声波测井技术在大斜度井、水平井等特殊井况以及疏松地层的地层评价方面较电缆式声波测井具有显著的优势，它能够实时、精确地测量地层声学特性。作为随钻声波测井仪的核心部件之一的声波换能器，其性能优劣直接影响测井结果的成败，是目前国际上尚未完全解决的难题，因此，研制满足钻井施工安全条件下的大功率、高效率的发射器和高灵敏度、宽频带的接收器，为研发具有自主知识产权的随钻测井仪器，推动我国随钻声波测井技术的发展，具有重要意义。　　本文从压电换能器基本原理出发，结合随钻声波测井技术和仪器的特点，提出了基于纵向振动模式和弯曲振动模式的随钻声波测井换能器物理仿真模型，通过理论分析、有限元分析方法与实验测量对比，给出了随钻声波测井换能器优化设计方案，并且试制了换能器样件。本论文工作主要包括以下两部分内容:　　第一部分随钻双向辐射纵振复合棒发射换能器的设计与优化。建立了双向辐射纵振复合棒发射换能器的物理模型，并通过等效电路法得到了谐振与反谐振频率方程，对比理论与数值仿真结果。数值仿真了换能器纵向振动模态与谐响应，探讨了换能器结构参数、材料参数和边界条件对发射能量、频带宽度和声场分布的影响，给出了提高换能器发射能量和有利于激发地层滑行波的换能器结构设计方案。根据数值仿真结果进行了换能器样件制作与性能测试，模型井实测与仿真结果对比表明:优化后的换能器发射电压响应约为优化前的3倍。消声水池测试结果表明:装配边界条件使换能器声场主瓣偏离主轴方向角度减小，谐振频率升高。　　第二部分随钻液腔复合型压电两叠片接收换能器的设计与优化。分析了边界条件对圆柱壳体支撑的压电两叠片振动模态和接收灵敏度的影响。根据压电弯曲振动原理和活塞压力平衡原理，提出了液腔复合型压电两叠片接收换能器的设计方案。利用数值仿真方法计算了活塞为密封塞和压电振子时的接收性能，并且探讨了换能器结构参数和材料参数对接收灵敏度曲线的影响，给出了拓宽接收带宽的优化方案。根据数值仿真结果进行了换能器样件制作与性能测试。模型井测试得到的单极与偶极源信号与声源主频一致。消声水池的指向性与接收灵敏度实测与仿真结果之间的差异主要由制作工艺与边界条件造成。环境试验表明换能器可承受150℃、100MPa温度与压力的考验。液腔复合型两叠片接收换能器可实现在一定低频范围内的平坦接收，但接收灵敏度幅值较低。此外，探索了新型接收压电材料。选择锡酸铅钡-钛酸铅(BSn-PSn-PT)固溶体，利用顶部籽法制备了钙钛矿相结构的0.2BSn-0.3PSn-0.5PT单晶，并测试了介电、压电和铁电性能，BSn-PSn-PT单晶具有更高的g33常数，可制作基于纵向振动的接收型压电换能器。　　综上所述，本论文开展的研究工作为随钻声波测井换能器的工程化提供理论与实验依据，为新型换能器的研发与换能器性能的提升提供了新的思路。