超聲波清洗機主要是由超聲換能器，超聲波發生器和清洗槽組成，超聲波發生器將50Hz的交流電轉換成超聲頻電振蕩信號后，通過電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。
超聲換能器將超聲頻電能轉換成機械振動并通過清洗槽壁向盛在槽中的清洗液輻射超聲波。存在于液體中的微氣泡(稱為空化核)在聲波的作用下振動，當聲壓或聲強達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合。在氣泡閉合時，產生沖擊波，在氣泡周圍產生10 一10 Pa的壓力及局部高溫，這種物理現象稱為超聲空化。空化所產生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。
蒸汽型空化對污垢層的直接反復沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會引起污物層的疲勞破壞而脫離。氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動，使污垢脫落。
由于空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當固體粒子被油污裹著而附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時會產生正負交變的聲壓，沖擊清洗件，同時由于非線形效應會產生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面上會產生高速的微聲流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴散作用，加速可溶性污物的溶解，強化
化學清洗劑的清洗作用。
由此可見，凡是液體能浸到聲場存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、質量高，特別適合于清洗件表面形狀復雜，如空穴、狹縫等的細致清洗，易于實現清洗自動化。對一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統方法可提高幾倍到幾十倍，清潔度也達到高標準。在某些場合下可以用水劑代替有機溶劑進行清洗，或降低酸堿的濃度。對于一些有損人體健康的清洗，如清洗放射性污物可以實現遙控和自動化清洗。
超聲波清洗機也有其局限性，例如對聲波反射強的材料如金屬、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而對聲波吸收大的材料如布料、橡膠以及粘度大的污物清洗效果差。
