粘接结构由于具有比强度、比模量高等特点，被广泛应用于航空航天、军工等重要部门。但是粘接过程中易出现粘接不良、气孔、局部脱粘等缺陷，破坏粘接结构的完整性。目前，超声检测已经成为粘接结构无损检测应用最广的技术之一。对金属-非金属粘接结构的超声检测技术研究较早，已趋于成熟，但是对多层金属粘接结构的超声检测研究较少。本文即是基于实际生产需要，针对多层金属粘接结构粘接质量的超声检测技术展开研究。本文首先根据产品的实际要求，设计了不同层数的金属平板粘接试样，建立了各种粘接试样的声学物理模型。针对不同的粘接试样，分析了不同检测方法的适用性。结合超声波在多层介质中的透射模型，分析了水浸透射法检测过程中不同频率的超声波在三层以上金属粘接结构中的声压透射率及能量损失情况。结果表明：对于两层金属粘接试样，直接接触多次反射底波法和水浸透射法都能够检测出人工缺陷；对于三层金属粘接结构，5MHz、2MHz、1MHz的水浸聚焦探头均能检测第二粘接界面的人工缺陷；对于四层金属粘接结构，5MHz的超声波在粘接层中损失殆尽，难以检测第三粘接界面的缺陷，而2MHz、1MHz的水浸聚焦探头却可以实现。在分析了粘接结构声学特性的基础上，提出了低频水浸聚焦超声换能器的设计方案。从晶片的选择、背衬的设计及优化、声透镜的设计等三个方面展开低频水浸聚焦换能器的设计。并提出了具体的设计指标。采用自行设计的水浸聚焦超声换能器及现有的5MHz的水浸聚焦换能器对粘接试样进行检测实验。实验结果表明：对于两层金属粘接结构，水浸透射法和纵波探头直接接触多次底波法都能检测出Φ6mm缺陷；对于三层金属粘接结构，水浸透射法能够较好的实现第二粘接界面Φ6mm缺陷的检测，但是5MHz的水浸聚焦换能器的缺陷检出能力明显高于2MHz、1MHz的水浸聚焦换能器；对于四层金属粘接结构，2MHz、1MHz的水浸聚焦换能器能够检测出第三粘接界面Φ6mm缺陷，但是5MHz的水浸聚焦换能器由于超声波能量的大幅损失无法完成检测。这与理论分析的结果基本一致。为同类粘接结构粘接质量的超声检测提供了一定的可借鉴经验。