超音波探傷器のコア動作機構は、本質的には高周波音波（通常20 kHzを超える）の固体材料中の伝播特性を利用して内部欠陥を検出する。その物理的基礎は波の反射、透過、回折原理である。

全過程はプローブが発射する超音波から始まる。プローブ内の圧電ウエハは電気パルス励起下で高周波機械振動、すなわち超音波を発生する。この音波は特定の速度と方向で被検ワークに伝達される。音速は材料の弾性率と密度に依存し、探傷器の位置決め計算の基礎となる重要なパラメータである。

材料中を超音波が伝播すると、材料が均一に緻密であれば、音波は底面または他端で反射して戻ってくるまでスムーズに前進する。しかし、ガス孔、クラック、介在物などの欠陥が発生すると、欠陥とワーク基材の音響インピーダンス（密度と音速の積）に顕著な差があるため、界面で反射が発生する。この部分で反射された超音波（欠陥エコーと呼ばれる）はプローブによって受信され、再び圧電ウェハから電気信号に変換される。

探傷器の核心機能はこれらのエコー信号を正確に処理することである。電気信号を増幅し、フィルタリングして画面に表示します。画面の横軸は音波が伝播する時間（または距離に換算）を表し、縦軸はエコーの振幅を表す。機器オペレータは、画面に現れるエコー信号の位置と高さを見て欠陥を判断する：

欠陥位置決め：発射波と欠陥エコーの時間差、及び既知の材料音速に基づいて、計器は欠陥の検出面からの深さを正確に計算することができる。

欠陥定量：欠陥エコーの高さは通常欠陥の反射面積の大きさと相関する。既知の寸法の「人工欠陥」（標準試験ブロック上の平底穴など）のエコー高さを比較することにより、欠陥の当量サイズを評価することができる。

欠陥識別：異なる性質の欠陥（例えば点状交じり、平面割れ）は特徴の異なる波形を発生する。経験的な操作者は、波形特徴と欠陥位置とを組み合わせて補助的な判断を行うことができる。

以上のように、超音波探傷器は工業材料のために「超音波」を行う医師のように、音波を能動的に発射し、内部構造からの反響を「聞く」ことによって、堅固な波動物理原理に基づいて、見えない欠陥の正確な位置決め、定量と評価を実現し、重要な構造の安全と完全を保障する。