井下石油钻探技术的进步是钻井工程领域技术发展的重要标志。随着前沿科技与钻井工程的不断融合,智能化、无人化是钻井技术发展的必然趋势。中国钻井技术的发展与世界先进水平相比还有差距,井下与地面之间信息高速传输等核心技术的研究不系统。由于地面与井下双向传输通讯时,存在套管和井壁的碰撞以及伺服平台相对旋转所产生的振动等干扰,所以需要一种稳定、实时、高效的井下无线通信技术。本文基于有限元软件,采用多物理场有限单元法,将实际的钻柱信道分解为多个已知单钻具传输模型的级联,建立具有螺纹结构的级联钻柱三维模型,对声波在钻柱信道内传输的频域特性进行数值模拟求解。搭建了以激振器产生冲击激励信号,地质钻杆级联结构钻柱系统作为信号传输信道,并通过传感器测得接收信号的试验系统。采集试验数据结果,对声波在钻柱中的传输特性进行时域分析,并通过傅里叶变换将测试结果进行时频转换,将仿真结果与试验结果对比分析,以期得到一种能够有效分析级联结构钻柱系统声波传输特性的有限元方法。级联钻柱系统的频域响应结果显示与声波的色散特性表现相一致,一个频段周期内,通阻带的变化与色散方程的结果是吻合的。说明仿真结果与理论分析结果一致,验证了该有限单元法建立声波传输模型的可靠性。时域中引起信号衰减原因有接头处面积突变、边界处反射和折射以及系统的阻尼作用;钻柱信道结构的色散特性会使声信号失真,某一频率点的信号能够激起其他频率的信号;试验结果和仿真结果幅值变化趋势走向基本一致,验证数值模拟研究的结果是有效的,可对后续研究分析提供一种有效手段。