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. Für die Reflexion von Schall gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.

Das Echo

Ruft man etwas in Richtung einer weit entfernten Bergwand, so hört man manchmal nach kurzer Zeit den reflektierten Schall. Dieser reflektierte Schall wird als Echo bezeichnet. Aus der Laufzeit des Schalles kann man auf die Entfernung des Objektes 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:

$\begin{array}{l}s=v\cdot \frac{t}{2}\\ s=333\frac{\text{m}}{\text{s}}\cdot 3\text{s}\\ s\approx 1000\text{m}\end{array}$

Reflexion von Schallwellen tritt auch in großen Räumen, Höhlen oder unter Brücken auf. Dort ist aber der Weg des Schalles 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 (Bild 2). 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 Strecke nach dem Weg-Zeit-Gesetz für gleichförmige Bewegungen ermitteln. Es gilt wie schon beim Echo:

$\begin{array}{l}s=v\cdot \frac{t}{2}\\ v\text{ Schallgeschwindigkeit}\\ t\text{ Laufzeit des Schalls vom Sender bis}\\ \text{ zum Empfänger}\end{array}$

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:

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 Fluges 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 wird dort reflektiert. Bei Netzhautablösung ist die Laufzeit des Schalles deutlich geringer als bei einer normalen Netzhaut. Darüber hinaus wird das Prinzip des Echolots bei Ultraschalluntersuchungen genutzt. Nähere Hinweise dazu sind unter dem Stichwort Ultraschall zu finden.