Фізична основа УЗД - п'єзоелектричний ефект. При деформації монокристалів деяких хімічних сполук ( кварц, титанат барію) під впливом ультразвукових хвиль, на поверхні цих кристалів виникають протилежні за знаком електричні заряди - прямий п'єзоелектричний ефект. При подачі на них змінного електричного заряду, в кристалах виникають механічні коливання з випромінюванням ультразвукових хвиль. Таким чином, один і той же п'єзоелемент може бути поперемінно то приймачем, то джерелом ультразвукових хвиль. Ця частина в ультразвукових апаратах називається акустичним перетворювачем, трансдюсером або датчиком.
Ультразвук поширюється в середовищах у вигляді чергуються зон стиснення і розширення речовини. Звукові хвилі, в тому числі й ультразвукові, характеризуються періодом коливання - часом, за яке молекула (частка) здійснює одне повне коливання; частотою - числом коливань в одиницю часу; довжиною - відстанню між точками однієї фази і швидкістю поширення, що залежить головним чином від пружності та щільності середовища. Довжина хвилі обернено пропорційна її частоті. Чим менше довжина хвиль, тим вище роздільна здатність ультразвукового апарату. У системах медичної ультразвукової діагностики зазвичай використовують частоти від 2 до 10 М Гц. Роздільна здатність сучасних ультразвукових апаратів досягає 1-3 мм.
Будь середовище, в тому числі і тканини організму, перешкоджає поширенню ультразвуку, тобто володіє різним акустичним опором, величина якого залежить від їх щільності і швидкості ультразвуку. Чим вище ці параметри, тим більше акустичний опір. Така загальна характеристика будь еластичної середовища позначається терміном " імпеданс ".
Досягнувши кордону двох середовищ з різним акустичним опором, пучок ультразвукових хвиль зазнає істотні зміни: одна його частина продовжує поширюватися в новому середовищі, в тій чи іншій мірі поглинаючись нею, інша - відбивається. Коефіцієнт віддзеркалення залежить від різниці величин акустичного опору межують один з одним тканин: чим ця різниця більше, тим більше відображення і, природно, більше амплітуда зареєстрованого сигналу, а значить, тим світліше і яскравіше він буде виглядати на екрані апарата. Повним відбивачем є межа між тканинами і повітрям. [2]
У найпростішому варіанті реалізації метод дозволяє оцінити відстань до кордону розділення щільності двох тіл, грунтуючись на часі проходження хвилі, відбитої від кордону розділу. Більш складні методи дослідження (наприклад, засновані на ефекті Допплера) дозволяють визначити швидкість руху кордону розділу густин, а також різницю в щільності, що утворюють кордон.
Ультразвукові коливання при поширенні підкоряються законам геометричної оптики. В однорідному середовищі вони поширюються прямолінійно і з постійною швидкістю. На кордоні різних середовищ з неоднаковою акустичною щільністю частина променів відбивається, а частина заломлюється, продовжуючи прямолінійне поширення. Чим вище градієнт перепаду акустичної щільності граничних середовищ, тим більша частина ультразвукових коливань відбивається. Так як на межі переходу ультразвуку з повітря на шкіру відбувається відображення 99,99% коливань, то при ультразвуковому скануванні пацієнта необхідно змазування поверхні шкіри водним желе, яке виконує роль перехідної середовища. Відображення залежить від кута падіння променя (найбільше при перпендикулярному напрямку) і частоти ультразвукових коливань (при більш високій частоті більша частина відбивається).
Для дослідження органів черевної порожнини і заочеревинного простору, а також порожнини малого таза використовується частота 2,5 - 3,5 МГц, для дослідження щитовидної залози використовується частота 7,5 МГц.
Особливий інтерес в діагностиці викликає використання ефекту Допплера. Суть ефекту полягає в зміні частоти звуку внаслідок відносного руху джерела і приймача звуку. Коли звук відбивається від об'єкта, що рухається, частота відбитого сигналу змінюється (відбувається зсув частоти).
При накладенні первинних і відбитих сигналів виникають биття, які прослуховуються за допомогою навушників або гучномовця.