超声测厚仪利用声波反射法来测量材料的厚度，其基本原理是声波在材料内部传播时遇到不同介质的界面会发生反射，通过测量发射波与回波之间的时间差，再结合材料中的声速，即可计算出声波传播路径的长度，从而得到厚度值。这一过程的关键在于理解声速与材料弹性模量、密度之间的关系，以及时间测量的精度对最终结果的影响。 声波反射法的物理基础是压电效应。探头中的压电晶片在电脉冲激励下产生高频机械振动，向被测材料发射纵波（压缩波）。声波进入材料后沿厚度方向传播，当到达材料底面（即与空气或耦合剂的界面）时，由于声阻抗发生突变，大部分声能反射回来，沿原路径返回探头。探头此时作为接收器，将机械振动再次转换为电信号。仪器内部的计时电路测量从发射脉冲到接收第一个底面回波之间的时间间隔Δt。如果已知声波在该材料中的传播速度v，则厚度d的计算公式为d=v×(Δt/2)，除以2是因为声波走了一个往返行程。
声速v的数值并非固定常数，它与材料的纵向弹性模量E和密度ρ的平方根成正比，即v=√(E/ρ)。这意味着，对于同一种化学成分的材料，其热处理状态、晶粒取向、夹杂物含量以及温度的变化都会通过改变E或ρ来影响声速。例如，铸钢与锻钢的晶粒结构不同，声速差异可达1%-2%，对于数毫米的厚度测量，这种差异会带来数十微米的偏差。因此，超声测厚仪在使用前必须在现场进行声速校准，校准方法是在同一材料上取已知厚度的试样（或测量标准块），调整仪器内的声速设定值，直到显示厚度与已知厚度一致。
声波反射法的测量精度高度依赖于时间间隔的分辨能力。现代仪器的计时电路通常采用计数频率为数兆赫兹至百兆赫兹的时钟脉冲，通过计算时钟脉冲个数来估算时间间隔。如果时钟频率为100兆赫兹，则时间分辨率为10纳秒，对应的钢中厚度分辨率为约0.03毫米。但实际中，回波信号的上升沿往往存在缓变，且噪声干扰会使得触发时刻产生抖动。为此，许多仪器采用过零检测或峰值比较技术，提取回波波形的固定相位点作为计时参考，以提高重复精度。
耦合剂的选择与使用也会间接影响测量结果。耦合剂的作用是排除探头与工件表面之间的空气间隙，使声波有效传入材料。耦合剂厚度如果过厚，会产生附加的时间延迟，但现代仪器多数具备“零点校准”功能，可以在探头置于耦合剂上但未接触工件时进行校正，消除探头延迟和耦合层的影响。需要注意的是，不同温度下的耦合剂声速和黏度会变化，进而影响耦合效果，因此在高温测量时需使用专用高温耦合剂，并重新进行零点校正。
材料中的声速还与温度呈负相关关系。温度每升高100℃，钢材中的声速大约下降0.5%。这是由于温度升高引起晶格振动加剧，弹性模量略微降低。因此，对于热态工件的测量，要么在已知高温声速条件下重新校准，要么等工件冷却至室温后再测量。对于各向异性材料（如轧制板材），声速在不同方向上有差异，测量时应沿厚度方向进行，而非沿轧制方向。
另外，当材料内部存在缺陷（如分层、气孔、夹杂）时，声波可能在缺陷处提前反射，使仪器误判底面回波，从而得到偏小的厚度值。有经验的检测人员会观察回波波形特征，或使用可显示波形的A型显示测厚仪，以辨别是底面回波还是缺陷回波。声波反射法的成功应用，本质上是对声速-时间-路径三者关系的准确把控，每一次测量都是对材料声学特性的一次实时解读。
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