Fisicamente, uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido ou gasoso). As ondas sonoras são um tipo de onda longitudinal, ou seja, são ondas onde o sentido de vibração é o mesmo sentido de propagação de uma onda. Como toda onda mecânica, a onda sonora necessita de um meio para se propagar – é por isso que um som não pode se propagar no vácuo, como no espaço.

A propagação de uma onda sonora pode gerar um efeito conhecido como eco. O eco é uma reflexão das ondas sonoras quando essas se chocam em algum meio, principalmente sólido (como uma parede) e retornam na direção contraria a fonte de emissão. Um ser humano consegue identificar, ouvir um eco quando a diferença de tempo entre a emissão da onda e seu retorno for menor do que 0,1 s. Entretanto, o princípio de formação do eco é aplicado a outros tipos de ondas e no caso das ondas sonoras, pode ser também aplicado as ondas ultrassônicas (frequência maior do que 200000 Hz).

As ondas sonoras emitidas pelo aparelho de ultrassom (imagem à esquerda) se deslocam pelo seu corpo e atingem um limite entre tecidos ou entre um tecido macio e um tecido mais duro; então, essas ondas sonoras são refletidas de volta para a sonda, enquanto outra parte da sonda continua se deslocando. Conhecendo a velocidade do som em um tecido humano (que é de aproximadamente 1545 m/s) e o tempo de retorno de cada eco, geralmente da ordem de 0,001 s, máquina consegue calcular a distância entre a sonda e o órgão que está sendo examinado, transformando a reflexão das ondas (ou ecos) em imagens, cujo resultado é mostrado em um monitor. Comumente, um ultrassom emite cerca de cinco milhões de pulsos a cada segundo, o que aumenta a precisão das imagens exibidas. A sonda ainda pode ser movimentada ao longo da superfície do corpo, permitindo a visualização dos órgãos e tecidos por diversos ângulos.

Acima, duas imagens de ultrassonografias de fetos. A esquerda, uma imagem de ultrassom bidimensional de um feto e a direita, imagem de um ultrassom em 3D, que capta com mais definição e exibe imagens mais nítidas.

Nos últimos anos foram desenvolvidas máquinas de ultrassom capazes de gerar imagens tridimensionais. Nessas máquinas, várias imagens bidimensionais são captadas pelo movimento das sondas ao longo da superfície do corpo ou girando as sondas inseridas. As varreduras bidimensionais são então combinadas por um software de computador especializado para formar imagens 3D. As imagens do ultrassom em três dimensões permitem uma melhor detecção de tumores e a visualização de um feto com melhores detalhes.