声波是在媒介中纵向传播的机械波，而超声波是一种高频率的声波，声波的频率单位是赫兹（Hz），一般可听声波的频率范围是20-20000Hz，医用超声使用的是高频超声波，频率范围是2-15MHz（图1）。
图1 声波的频率范围
声波在不同的介质中传播速度不同，但无论在什么介质中传播，声速=波长×频率。声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和压缩系数。简单来说，介质的密度越小，可压缩性越大，声波的传播速度就越慢。因此，人体不同组织的声波传播速度是不同的（图2）。
超声机的探头是产生和接受超声波的装置。探头里有换能器，能将电能转化为机械振动。绝大多数医用超声波是利用压电效应产生的，在压电材料上施加不同的电压时，会产生不同频率的机械振动。超声探头同时也能用压电效应将反射回来的超声信号转换为电信号，然后对这些信号进行放大、分析，最终以图像的形式显示出来。当超声波经过两种不同介质构成的界面时，会发生反射、折射和散射（图3）。1.反射指一部分超声波能量到达界面 时被反射回来，反射与发射超声波能量的比例取决于两种介质的声阻抗差。介质的声阻抗取决于物质的密度和压缩系数，界面的声阻抗差越大，反射回来的超声波能量比例就越大。例如软组织和空气之间的声阻抗差很大，大部分超声波在界面被反射回来不能继续传播，这就是超声探头要涂耦合剂才能获得图像的原因。2.折射是指超声在界面两侧的声速和传播方向发生偏移。3.散射是指超声波遇到粗糙界面或者小结构是向各个方向发生传播，当小结构的体积小于或等于超声波波长时将发生散射，从而导致沿原路径返回探头的超声波减少。
超声波通过组织时能量会发生丢失，称为超声衰减。超声衰减的原因包括吸收、散射、反射和声速的发散。超声能量在组织中衰减的越多，返回探头的能量或者可以穿透到更深组织的能量就越少。超声的衰减率取决于超声波的频率，频率越高，衰减越快，这就是高频率的超声波在组织中穿透能力差的原因。因此高频探头适合看浅表组织，稍微深部组织要用低频探头。超声图像是通过探头接收组织反射、散射回来的信号而形成的。当超声脉冲返回探头时，探头发生振动使压电晶片产生电压，回声的强度取决于回到探头的超声波的能量，回声的强度以不同亮度的光点表示。探头接收的回声信号可以按时间顺序显示，回声的延长时间代表了界面在组织中的深度。将信号强度按照时间先后以不同的灰阶强度表示，就是B型超声（二维图）的显像原理（图4）。
在B型超声中，不同组织和界面反射的回声强度不同，因此显示出的图像亮度也不同。通常把较亮的图像叫强回声图像，较暗的图像叫弱回声图像。不同人体组织的回声强度如下：
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结石、气体、钙化、金属异物、骨骼 |
| 高回声 |
肾窦组织、纤维组织 |
| 中等回声 |
肝脏、脾脏 |
| 低回声 |
肾脏皮质 |
| 弱回声 |
肾锥体、淋巴结 |
| 无回声 |
胆汁、尿液、羊水 |
超声的彩色显像模式是利用多普勒原理。多普勒效应指声源和观察者相对运动导致观察到的声波频率发生改变。当观察者朝向声源运动，其接收的声波频率高于发射波频率，当观察者远离声源运动，其接收的声波频率低于发射波频率。这种观察到的频率的变化被称为多普勒频移动，频移的大小与声源和观察者之间的相对运动速度成正比。在血管超声中，多普勒效应被用来显示血流方向和速度。当探头发射出超声波，红细胞是移动的超声波接收者，之后超声波从红细胞散射回探头，红细胞又作为移动的声源，而探头是静止的接收者，观测到的多普勒频移取决于红细胞的移动速度。将接收到的多普勒频移数据经过解调器和放大器处理后显示出来，就可以获得彩色多普勒图像。由于超声波的方向和红细胞的运动方向有一定的夹角，所以多普勒频移数据还要经过三角函数计算后转换。在彩色多普勒图像中（图5），用红色和蓝色分别表示多普勒频移的正负，即红细胞相对于探头的运动方向，用颜色的明暗度代表多普勒频移的大小，即红细胞的运动速度。
频谱多普勒图像是用坐标图像来定量显示血流信息，是彩色多普勒图像的量化表现形式（图6）。在频谱多普勒图像中，横坐标为时间。纵坐标为多普勒频移大小，即红细胞的运动速度。频带指坐标中的曲线，频带的光点代表了每个时间点运动中的红细胞。
频带的宽度与这个时间点上红细胞的运动速度分布范围有关，例如红细胞的运动速度和方向一致时频带就窄，当出现湍流红细胞向不同的方向随机运动，则频带就宽（图7）。
图7 频带表示的含义
