针对孔隙率P=0.03%~4.96%的热压成型单向碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)试样，采取金相显微观察、孔隙几何形貌特征统计以及超声实验测试、数值模拟计算等方法，对孔隙几何形貌的统计性及随机性进行了系统研究。然后从改善CFRP孔隙的数学描述手段入手，以实测CFRP孔隙统计数据为依托，创新性地提出并建立了二维随机孔隙模型(Random Void Model, RVM)。该模型依据随机介质理论，采取统计学原理和方法，将孔隙看作是叠加于由大尺度基体背景介质平均特性之上的小尺度随机扰动。利用随机孔隙模型能够得到与真实孔隙几何相似性良好的孔隙形貌。基于二维RVM，采用有限差分方法对超声波在复合材料中的传播过程进行数值模拟，计算纵波声速以及超声波散射衰减系数，研究了孔隙形貌特征对超声传播特性的影响。研究表明，随机孔隙模型能够灵活跟踪、准确捕捉孔隙形貌变化及其对超声散射衰减的影响，利用RVM得到的衰减系数理论预测结果和实验测试结果之间的符合程度大大优于传统的确定性模型。研究结果首次证明了超声衰减系数不仅与孔隙率有关，更受到孔隙形貌的影响。由于孔隙形貌的随机性，相同孔隙率下得到的超声衰减系数具有一定的波动性。随着平均孔隙尺寸和波长的比值不同，超声散射机制也存在差异。本研究揭示了含有随机形貌孔隙的复合材料与超声波之间的作用机理，为建立复合材料孔隙率超声检测模型提供理论依据和技术支撑。