作为重要的承压承重结构,厚壁结构是石油和电力等能源工业中最为关键的部件之一。其中以厚板和厚壁管道的应用最为广泛,其一旦失效往往造成重大的人员伤亡和经济损失。超声无损检测技术在该类结构的健康状况评估中表现出了巨大的潜力,因此深入研究厚壁结构中超声波的传播特性及其无损检测应用,具有重要的学术意义和工程实用价值。本文根据厚壁结构边界的复杂程度,由简单到复杂,系统地研究了平面半无限域、厚板、厚壁管道及双层厚壁管道中超声波的传播特性,为厚壁结构的超声无损检测提供了理论基础和实践指导。按照本文章节的顺序,主要研究内容包括:(1)建立了无限域中线载荷下波传播的弹性动力学模型,并将该问题转换为半无限域的平面应变问题,引入Cagniard-de Hoop法简化了求解过程,求得了瞬态位移解析解,得到了脉冲函数和调制函数载荷下的瞬态位移。(2)提出了一种基于半无限域中瞬态波位移解析解的线性相控阵声场指向性表征方法。计算了多个阵元在调制函数载荷下的瞬态位移,确定了声场指向性函数,并进行了实验验证。结果表明,二者的总体变化趋势相吻合。进一步研究了阵列参数对声场指向性的影响,获得了最佳阵列参数范围。(3)提出了一种表面调制函数点载荷下弹性厚板瞬态位移的计算方法。建立了一套基于非接触光学检测装置的声波点位移测量系统,进行了实验验证,实验结果与理论计算相吻合。同时研究了厚板Lamb波的传播特性以及与厚壁管的异同。(4)研制了一种新型周向Lamb波窄声束阵列传感器,通过阵列实现对厚壁管道周向声场的控制。建立了声场测量系统,得到了不同角度下该传感器的瞬态波形,测得了其声场指向性。(5)提出了一种小径厚壁管道内壁附着物的检测方法。研究了纵向模态在双层厚壁管道中的传播特性,得到了其群速度随附着物厚度的变化规律;并对内壁有0-2mm附着层的管道中纵向模态的群速度进行了实验测量,实验结果与理论值相一致。