Echo und Echolot
Eine Eigenschaft von Schallwellen besteht darin, dass sie an Flächen reflektiert werden. Das gilt sowohl für Schall im hörbaren Bereich als auch für Ultraschall. Diese Eigenschaft des Schalls wird in der Technik genutzt, um die Tiefe von Gewässern zu messen oder um Fischschwärme zu orten. Das dabei angewandte Verfahren wird als Echolot bezeichnet.
In der Natur kann man Echos vor allem in den Bergen wahrnehmen. Der Effekt tritt auch unter Brücken oder in großen Räumen auf und wird dann mitunter Nachhall genannt.
Manche Tiere, z.B. Fledermäuse, nutzen das Echo zur Orientierung.
Für die Reflexion von Schall gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.
Das Echo
Ruft man etwas in Richtung einer weiter entfernten Bergwand, so hört man manchmal nach kurzer Zeit den reflektiertem Schall. Dieser reflektierte Schall wird als Echo bezeichnet. Aus der Laufzeit des Schalls kann man auf die Entfernung des Objekts schließen, an dem der Schall reflektiert wurde. Geht man von Luft und damit von einer durchschnittlichen Schallgeschwindigkeit von 333 m/s aus, dann ergibt sich die Entfernung als Produkt aus der Schallgeschwindigkeit und der halben Laufzeit. Hört man z. B. ein Echo nach 6 Sekunden, so beträgt die Entfernung zum reflektierenden Objekt:
Reflexion von Schallwellen tritt auch in großen Räumen, Höhlen oder unter Brücken auf. Dort ist aber der Weg des Schalls insgesamt so kurz, dass die Zeit zwischen Schallabgabe und Schallaufahme sehr klein ist. Statt von Echo spricht man dann meist von Nachhall.
Das Echolot
Das Echolot wird genutzt, um die Tiefe von Gewässern zu messen oder um Fischschwärme oder U-Boote zu orten. Dabei werden von einem Sender Schallimpulse abgestrahlt, wobei man meist Ultraschall verwendet. Der Schall wird am Boden des Gewässers, vom Fischschwarm oder vom U-Boot reflektiert und von einem Empfänger wieder aufgenommen. Aus der Laufzeit der Schallimpulse kann man die Tiefe ermitteln, in der sich das reflektierende Objekt befindet. Da sich der Schall mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet und die Laufzeit gemessen werden kann, lässt sich die Entfernung nach dem Weg-Zeit-Gesetz für gleichförmige Bewegungen ermitteln. Es gilt wie schon beim Echo:
Will man genaue Messungen durchführen, so ist zu beachten, dass die Schallgeschwindigkeit in Wasser von der Temperatur abhängt und darüber hinaus sich in der Regel die Wassertemperatur mit der Tiefe ändert, die Schallgeschwindigkeit also nicht konstant ist. Für die Schallgeschwindigkeit in Wasser gilt:
| bei 0 °C: | 1407 m/s | |
| bei 5 °C: | 1400 m/s | |
| bei 10 °C: | 1450 m/s | |
| bei 15 °C: | 1467 m/s | |
| bei 20 °C: | 1484 m/s | |
| bei 25 °C: | 1498 m/s | |
| bei 30 °C: | 1510 m/s |
Einige weitere Beispiele
Beispiele für die Nutzung der Reflexion von Schallwellen sowie des Prinzips des Echolots gibt es in Natur, Technik und Medizin.
So orientieren sich z. B. Fledermäuse mithilfe von Ultraschall. Während ihres Flugs stoßen sie ständig für uns nicht hörbare Ultraschallschreie aus. Treffen die Schallwellen auf ein Hindernis oder ein Beutetier, so werden sie reflektiert und die reflektierten Schallwellen von der Fledermaus wieder aufgenommen (Prinzip des Echolots). Die Fledermaus kann dem Hindernis ausweichen bzw. ein Beutetier orten.
In der Medizin nutzt man die Reflexion von Schall beispielsweise dazu, um die Netzhaut des Auges zu untersuchen. Schall wird in Richtung Netzhaut gesandt und dort reflektiert. Bei Netzhautablösung ist die Laufzeit des Schalls deutlich geringer als bei einer gesunden Netzhaut. Darüber hinaus wird das Prinzip des Echolots bei Ultraschalluntersuchungen genutzt. Nähere Hinweise dazu sind unter dem Stichwort Ultraschall zu finden.
