固体结构内部温度场的测量与控制在工业生产、人们日常生活以及新技术研究中都有着十分重要的意义。结构内部温度场的测量是一个复杂问题,现有的内部测温方法主要为热电偶测温法、光纤光栅测温法以及中子共振谱法等,但此类测温方法具有较大的局限性,或是需要接触式测量而破坏结构稳定性,或是测温条件有所欠缺而不易推广。因此,发展一种能够实现固体结构内部无损测温的技术成为了现今温度测量及控制的重点研究方向之一。其中,超声温度技术具有非接触式、响应速度快、不受辐射影响、没有温度漂移、测温范围大、灵敏度高等特点而被广泛关注。针对内部温度的无损探测需求,本文采用理论分析、数值模拟和实验验证结合的方式,分别从超声测温机理以及结构内部温度场重建方法两个方面开展基于超声的固体结构内部温度场的测量及实验研究,为探索发展结构内部温度分布的超声探测技术奠定基础。本文主要完成了以下工作:(1)设计和构建了基于超声波测温机理的实验平台。根据研究内容,设计了超声声时测量系统、温度测量系统、温度控制系统以及附属部件四个系统部分,并对系统中的仪器进行了选型以及精度评价。(2)基于超声波传播规律的研究,对主要影响超声声速的三个因素进行分析,建立了基于温度修正的超声声速方程。通过数值模拟以及实验设计,选择了金属铝和钢来分析超声波在不同温度材料中的传播时间、传播速度与温度之间的关系,并研究了温度引起超声的“时移特性”,构建了超声波感知结构内部温度分布变化的分析模型。最后结合仿真及实验数据分析,验证了所提出修正方程的有效性及准确性,并在此基础上进行了数值方法的修正。(3)从解析热/声耦合问题的角度进行分析,根据超声波的传播特性以及固体内部热传导方程,建立了基于冷端边界条件的一维稳态温度场重建模型。以金属铝和钢为实验材料,通过数值模拟与实验验证相结合,验证了该方法能够良好的实现固体结构内部一维稳态温度场的重建,且对温度梯度明显区域具有更优的重建精度,为温度场重建方法的研究提供了一种新型的研究方向。