Cette méthode d'investigation est basée sur le phénomène d'écho qui, en montagne, fait la joie des enfants. Un obstacle renvoit le son émis vers l'émetteur, avec un décalage dépendant de la vitesse de transmission du son dans le milieu considéré et de la distance entre l'émetteur et l'obstacle.
Dans l'air, les ondes sonores se déplacent avec une vitesse de l'ordre de 340 mètres par seconde. Dans l'eau, cette vitesse est de 1480 m/s. Le sonar permet ainsi de déterminer la profondeur d'un banc de poissons.
Le radar utilise le même principe d'écho avec des ondes hertziennes.
L'échographie médicale utilise les ultrasons qui dépassent la fréquence des sons généralement perçus par l'oreille de l'homme.
Ces ondes ultrasonores se propagent bien dans les tissus homogènes. Les vitesses de propagation vont de 1450 m/s pour les graisses à 1585 m/s pour les muscles. Elles sont réfléchies différemment suivant la composition des tissus examinés. Le squelette (vitesse de propagation des ultrasons 4080 m/s) donne des échos très nets mais interdit l'examen des tissus situés derrière les os. Les ultrasons réfléchis par du sang en mouvement permettent par exemple de diagnostiquer des thromboses (blocage par un caillot) ou des sténoses (rétrécissements d'une artère avec augmentation de la vitesse du flux sanguin dans cette portion rétrécie.
C'est l'enveloppe de l'amplitude des échos recueillis qui est utilisée en échographie.
Le principe de l'effet Doppler (changement de la fréquence du son du passage d'un train défilant devant l'observateur) est aussi utilisé en échographie pour déceler les mouvements du sang et déterminer leur vitesse.
Pour reconstituer la structure d'un organe examiné, il faut recueillir les échos dans toutes les directions limitées par l'organe. Ce sont des sondes rotatives ou des sondes à émetteurs multiples qui sont utilisées.
Les sondes peuvent être placées dans les organes accessibles facilement, c'est le cas de l'oesophage. Ces sondes sont miniaturisées avec un tout petit moteur assurant la rotation des capteurs. Les échographies du coeur obtenues ainsi sont indispensables pour l'établissement d'un diagnostic préçis.
.
S'il est possible de recréer la structure d'un organe par échographie, il est aussi possible de visualiser l'évolution d'une partie mobile d'un organe, comme celle de la valvule mitrale, de mesurer ses ouvertures maximun et minimum, d'évaluer la variation du volume d'une cavité cardiaque (les oreillettes par exemple).
Ainsi, l'échocardiographie, par le balayage des ultrasons dans toutes les directions, donne avec précision la morphologie et l'évolution des cavités et des valves cardiaques pendant une révolution cardiaque.