混凝土的组分材料之间物理属性不同,几何形体各异,含量占比多样,空间分布随机,对应了混凝土宏观层面物性参数变化剧烈,是典型的随机非均匀介质。混凝土典型工程缺陷类型、产状多样,加之超声波的频率高,波长短,受随机非均匀介质衰减、散射作用明显,导致缺陷超声波场响应特征十分复杂,限制了超声波方法在混凝土结构无损检测领域的应用。本文采用试验测试、理论分析和数值模拟相结合的方法,系统地研究了混凝土细观组分材料超声特性,超声波传播特征与组分材料参量之间的对应关系,混凝土随机骨料结构模型的建立和典型缺陷的超声波场响应特征及缺陷信息的提取,取得以下研究成果:（1）开展了混凝土及其组分材料声学参数测试分析,获得了不同水灰比、灰砂比条件下水泥砂浆材料的声阻抗参数和品质因子变化规律,分析了骨料粒径、水灰比、灰砂比、骨料含量和混凝土超声波波速的关系。（2）基于水泥砂浆和骨料的实测声阻抗和品质因子参数,结合真实的混凝土细观骨料结构,定量研究了骨料粒径、骨料含量、水泥砂浆速度和水泥砂浆品质因子对超声波传播特征的影响规律;从能量和频率衰减角度分析了混凝土随机非均匀性对不同中心频率超声波的影响,评价了散射和固有吸收两种衰减机制的相对重要性。（3）提出了一种高效的三维混凝土细观骨料模型重建算法。考虑混凝土的细观随机骨料结构,制备了不同骨料粒径分布、不同骨料含量的混凝土试样,基于随机过程理论对混凝土的细观结构特征进行了描述,建立了混凝土三维随机灰度模型;结合数字图像处理技术和随机优化重构算法,实现了混凝土两相模型重建,基于此算法完成了不同骨料粒径、不同骨料含量和不同尺寸的混凝土模型高效重建。（4）基于重建的混凝土随机骨料模型,模拟研究了超声波在缺陷混凝土中的传播,揭示了典型缺陷在超声波场中的作用机理和异常反射波的传播路径,获得了典型工程缺陷在反射波场中的响应特征;应用合成孔径聚焦技术对随机扰动作用下的超声波场进行了成像处理,实现了小孔径超声波探头对缺陷的高分辨力探测。（5）对混凝土空洞缺陷进行了超声脉冲回波检测试验研究,获得了缺陷在超声波场中的双曲线反射波,对检测数据进行了合成孔径聚焦成像,获得了缺陷比较准确的空间位置和尺寸信息。该论文有图82幅,表12个,参考文献137篇。