在超声波检测过程中,为了获得可靠的检测结果,需要控制超声波声压场的分布,使容易出现缺陷的部位集中最强的超声波能量。出于控制声压场分布的目的,人们通常会设计使用多层中间介质来改变超声波的传播路径,再加上多层被检测结构和工件表面曲率的影响,使得超声波的传播路径和声压场分布变得复杂。本文以铜钢堆焊复合层结构的超声波检测为例建立了研究模型。模型中,超声波在传播过程中途径了声透镜、水、铜、钢等多层介质。其中,各层不同的材料、多个异质材料界面以及弯曲的界面形状均对超声波的传播和声场分布有复杂多变的影响。为了通过超声波检测真实地表征结构内部的情况,必须首先把握超声波在多层介质中的传播行为,用以指导超声波对多层介质的检测。本文通过几何声学原理和高斯声束模型研究了超声波在多层介质中的声压场分布,研究了超声波穿越异质材料界面过程的行为特征。将理论分析的结果应用于实际焊接结构的检测,使用单晶片点聚焦探头成功地检测到了平行于界面和倾斜于界面的缺陷。本文进一步通过分析求解Stoneley特征方程确定了超声波沿着异质材料界面的传播行为特征。将理论分析的结果应用于实验,使用平探头成功地探测到了铜钢界面上0.1mm深的微小人工裂纹。为了大幅度提高检测效率,本文基于超声波相控阵技术实现了相控阵高速C扫描,检测结果与常规的单晶片点聚焦探头C扫描结果吻合良好,机械运动机构大大简化,检测速度得到极大的提升。最后,为了适应工业生产中的实际需求,本文以低成本、高效率、高可靠性为出发点,研究和开发一套超声波自动检测系统。