本论文主要致力于超声波和热波检测机理与技术的研究，论文主要内容可分为三部分：(1)超声波自动测温系统的研制；(2)超声波引起固体微裂纹局部发热理论计算；(3)脉冲激光作用下的金刚石薄膜/硅基片结构的热弹分析。 1.超声波自动测温技术在化工、冶金以及核物理等部门中，为了保证生产安全、产品质量以及节能，常常需要对高于1000℃的高温进行在线检测和控制。然而，目前工业中的常规测温方法，如热电偶法、辐射测温法及光学测温法，由于自身的不足或工业现场恶劣环境的影响，难以实现高温的长时间连续地在线精确检测与控制。 超声波测温是近40年发展起来的一种新型测温技术，在高温及环境恶劣的特殊场合显得比常规测温方法更为优越，目前在国外得到了较为广泛地科学研究与应用，然而，在国内尚属初级阶段。超声波测温的理论基础是超声波传播速度与介质温度有确定函数关系。目前的超声温度计主要以细线超声脉冲温度计为主，细线超声脉冲温度计以耐高温的细金属丝(直径约为1～2mm)为其敏感元件，具有操作灵活及反应迅速等特点。然而，由于敏感元件直径较小，其声阻抗也较小，因此使得温度计对外界的接触比较敏感。特别是当外界与敏感元件发生较大压力的接触时，超声回波信号往往会受到很大程度的干扰，会给测量带来较大误差。而在许多工业现场生产中，这种较大压力的接触往往又是无法避免的。不仅如此，目前的超声温度计绝大多数存在着自动化程度低、在线检测困难等缺点。 本文提出并研制了一种以热处理温度为3000℃的直径约为10cm的优质石墨棒作为测温介质、采用基于超声波脉冲技术的零点回鸣法ZPA(ZeroPoint-AroundMethod)测量声速、并通过微机控制可自动跟踪测量温度的超声波测温系统。由于石墨棒声阻抗较大，具有很好的耐高温性能、非常好的抗辐射性能及耐腐蚀性能，使得测温系统对外界的接触有相当的免疫能力，且特别适合工作于工业中各种条件恶劣的环境中。另一方面，在众多的测量声速方法中，从测量精度以及易于实现自动化角度来讲，回鸣法无疑最具有优势。我们选用回鸣法并将回鸣法进一步改进为零点回鸣法，零点回鸣法具有比回鸣法更高的测量精度。在此基础上，我们进一步提出了可自动跟踪测量声速及温度的方法。初步的实验结果与理论分析表明，该测温系统工作稳定，具备长期自动跟踪测温能力，系统声时测量分辨率可达0.2μs。 2.超声波引起固体微裂纹局部发热的理论计算近年来，超声红外热像技术作为一种新型无损检测技术，引起很大重视，其原理为超声波通过耦合剂输入被检测试件，超声波与缺陷(主要为裂纹)相互作用，声能转化为热能，使缺陷区局部产生附加的温度升高，通过红外热像仪显示缺陷的位置和大小。针对超声引起缺陷区的局部发热机制，目前已提出一些定性解释。然而，由于求解析解的困难性，到目前为止，局部发热机制仍未得到定量的计算和解释。这在一定程度上阻碍了人们更好地理解和应用这一新的无损检测技术。 本文依据裂纹表面在波动过程中的相互作用为接触-碰撞问题这一事实，基于三维弹性动力学方程、接触-碰撞理论及热力学第一定律，采用有限元数值方法模拟了含有微裂纹平板中的超声波传播过程以及裂纹表面在波动中的动接触作用，并定量计算了裂纹表面的摩擦生热、分析讨论了激励振幅对裂纹表面温度及应力的影响。计算结果表明，本文的计算方法可较好地模拟微裂纹在波动传播过程中发生的接触，粘合，滑移及脱离等相互作用；可较好地定量计算微裂纹表面在波动中的摩擦生热；计算结果可以定量解释在超声红外热像技术中观察到的现象。此外，由于该计算方法可以以图形方式清晰、直观地显示微裂纹表面在波动传播过程中的每一瞬时的相互作用、摩擦生热及温度变化，因此计算结果对更好地理解超声红外热像技术的中的局部发热机制以及更好地认识、理解及应用这一新型无损检测技术，无疑具有重要的理论意义和实际指导作用。 3.脉冲激光作用下的金刚石薄膜/硅基片结构的热弹分析金刚石薄膜由于具有很大的热传导率而广泛应用于微电子器件及光学器件的热控制中。随着科学研究对光电器件测量精度及可靠性要求的不断提高，金刚石薄膜的热学参数特别是热扩散率或热传导率的测量备受关注。大量实践证明，基于光声光热效应(即物质吸收调制的光能而产生的热波或声波的效应)的光声光热技术是测量物质热扩散率的最有效的方法之一。然而，由于金刚石薄膜厚度薄、热扩散快及对可见光透明，目前已有的光声光热方法均不能对其热扩散率进行较好测量，测量结果往往会偏差很大。 由于求解析解的困难性，关于脉冲激光作用下多层薄膜/基片结构的热弹问题，目前只有很少的研究报告。在这些研究报告中，为了简化问题，或由于薄膜及基片材料的热扩散率均比较小，热扩散效应被忽略；或由于薄膜的热膨胀系数远大于基片而弹性模量远小于基片，薄膜与基片界面的相互作用力被忽略。然而，对于金刚石/硅结构，由于金刚石薄膜的热扩散率非常大，且金刚石薄膜的热膨胀系数及弹性模量又与硅比较接近，所以上述简化处理并不合适。 本文基于二维轴对称热弹动力学方程及环形高斯脉冲激光作用下的多层薄膜/基片结构的热源模型，采用有限元数值方法对脉冲激光作用下的金刚石薄膜/硅基片结构进行了热弹分析，并进一步讨论了金刚石薄膜的热传导率对金刚石/硅结构表面温度及热弹位移的影响。分析计算结果表明，样品表面中心温度对金刚石薄膜热传导率变化较为敏感，如果能准确测量该温度，利用样品表面中心温度曲线的下降部分定征金刚石薄膜热扩散率是一种较好的方法；样品表面中心法向位移亦随金刚石薄膜热扩散率变化而变化，利用表面中心法向位移曲线定征金刚石薄膜热扩散率精度可达20％左右。