超声相控阵能动态地进行聚焦发射和聚焦接收，方便灵活地进行声束控制，可以实现多种扫描方式，并且不受被检物体的形状限制，具有较高的灵敏度、分辨率和信噪比等优点，是目前无损检测领域的研究热点。本文针对超声相控阵在石油井下探测和管材检测中的应用，开展了关于平面线阵、凹面线阵和柱面线阵换能器辐射声场及散射声场的理论和实验研究，对这几种曲面线性相控阵的聚焦和成像特性进行了深入的研究和分析。　　 针对石油井下的实际环境，设计和研制出可用于井下前视的旋转式平面相控阵列和用于井壁扫描的柱面线性相控阵列，这两种相控阵换能器的工作频率都为500kHz，动态阵元数都为16，最大外径和实际测井仪器相同。用于前视的旋转式平面相控阵列包含40个阵元，用于井壁扫描的柱面超声相控阵探头有112个阵元，它们为均匀分布在圆柱表面的条形阵元。　　 对于相控阵辐射声场，我们从理论和实验上，分别对平面线阵、柱面线阵和凹面线阵这几种曲面相控阵列的辐射声场进行了深入的研究和分析，研究了聚焦辐射声场的轴向、侧向以及全空间声场分布，并对阵元间距、阵元数目、f数等参数对声场的影响展开了详细的探讨。　　 对于相控阵散射声场的计算方法，我们结合套管中的相控阵声场问题，开发出了2.5维和2维时域有限差分计算程序，并对套管中的相控阵声场进行了数值模拟，研究了套管中的波场特性。首先，采用2.5维时域有限差分方法对有窜槽的套管井声场进行了模拟，详细分析了窜槽对实际声场的影响。在此基础上，我们对存在裂缝的套管中的相控阵声场进行了仿真，并对采用柱面线性相控阵换能器对存在不同大小裂缝的套管进行扫描和成像的过程做了模拟，展示了套管中相控阵声场传播的物理过程。　　 实验上，对柱面相控阵在套管中的聚焦和成像特性进行了大量的实验研究，针对不同类型的套管以及不同类型裂缝、穿孔等缺陷，利用柱面相控阵进行了井壁扫描和成像的实验测量，对不同孔径的套管、不同尺寸的裂缝进行了成像实验。跟采用时域有限差分方法进行成像模拟得到的结果进行了分析和对比，两者符合得很好，表明了我们计算结果和实验结果的可靠性。另外，我们还分析了扫描实验过程中噪声产生的原因及相应的改进方法。