La caractérisation ultrasonore de l'endommagement thermique de bétons est explorée. Le béton est composé de ciment et d'inclusions rocheuses de différentes tailles. L'endommagement thermique conduit essentiellement à la microfissuration du ciment. Le phénomène de diffusion des ondes ultrasonores sur les microfissures et les inclusions est prépondérant. L'étude théorique de la propagation des ondes ultrasonores cohérentes dans les milieux hétérogènes est menée et les modèles de milieux effectifs pertinents intégrant la diffusion multiple sont présentés. Ils permettent de déterminer la vitesse de phase et l'atténuation en fonction des éléments constituant le milieu. Des extensions sont présentées afin d'introduire des répartitions de taille et plusieurs types d'obstacles pour à la description de l'endommagement du béton. La validation d'une chaîne ultrasonore expérimentale adaptée est réalisée. L'analyse de différents résultats théoriques et ceux expérimentaux obtenus sur des milieux à base de ciment permet la validation du modèle pour des cas d'endommagements simulés. L'application au cas d'un béton endommagé met en évidence l'apport des travaux et les perspectives associées.