超聲波清洗是基于空化作用，即在清洗液中無數氣泡快速形成并迅速內爆。由此產生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數量增加而爆破沖擊力減弱，因此，高頻超聲特別適用于小顆粒污垢的清洗而不破環其工件表面。氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強度的聲波而產生的。因此，任何超聲清洗系統都必須具備三個基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉化為機械能的換能器以及產生高頻電信號的超聲波發生器。

換能器和發生器

超聲清洗系統最重要的部分是換能器。現存兩種換能器，一種是磁力換能器，由鎳或鎳合金制成；一種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。將壓電材料放入電壓變化的電場中時，它會發生變形，這就是所謂的“壓電效應”。相對來說，磁力換能器是用會在變化的磁場中發生變形的材料制成的。

無論使用何種換能器，通常最基本的因素為其產生的空化效應的強度。超聲波和其他聲波一樣，是一系列的壓力點，即一種壓縮和膨脹交替的波。如果聲能足夠強，液體在波的膨脹階段被推開，由此產生氣泡；而在波的壓縮階段，這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內爆，產生一種非常有效的沖擊力，特別適用于清洗。這個過程被稱做空化作用。

從理論上分析，爆裂的空化泡會產生超過10,000 psi的壓力和20,000 ℉ (11,000 ℃) 的高溫，并在其爆裂的瞬間沖擊波會迅速向外輻射。單個空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘內有幾百萬的空化泡同時爆裂，累計起來的效果將是非常強烈的，產生的強大的沖擊力將工件表面的污物剝落，這就是所有超聲清洗的特點。

如果超聲能量足夠大，空化現象會在清洗液各處產生，所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔。空化作用也促進了化學反應并加速了表面膜的溶解。然而只有在某區域的液體壓力低于該氣泡內氣體壓力時才會在該區域產生空化現象，故由換能器產生的超聲波振幅足夠大時才能滿足這一條件。產生空化所需的最小功率被稱做空化臨界點。不同的液體存在不同的空化臨界點，故超聲波能量必須超過該臨界點才能達到清洗效果。也就是說，只有能量超過臨界點才能產生空化泡，以便進行超聲清洗。

頻率的重要性

當工作頻率很低（在人的聽覺范圍內）就會產生噪音。當頻率低于20KHz時，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業安全與保健法或其他條例所規定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考慮工件表面損傷的應用中，通常選擇從20KHz到30KHz范圍內的較低清洗頻率。該頻率范圍內的清洗頻率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。20KHz的磁力換能器和25KHz的壓電換能器。

高頻通常被用于清洗較小、較精密的零件，或清除微小顆粒。高頻還被用于被工件表面不允許損傷的應用。使用高頻可從幾個方面改善清洗性能。隨著頻率的增加，空化泡的數量呈線形增加，從而產生更多更密集的沖擊波使其能進入到更小的縫隙中。如果功率保持不變，空化泡變小，其釋放的能量相應減少，這樣有效地減小了對工件表面的損傷。高頻的另一個優勢在于減小了粘滯邊界層（泊努里效應），使得超聲波能夠“發現”極細小的微粒。這種情況近似于小溪中水位降低時可以看清溪底的小石子。