Акустической релаксацией называют процесс восстановления термодинамического равновесия среды, которое было нарушено из-за изменения давления и температуры при прохождении звуковой волны. Релаксация акустическая – необратимый процесс, при котором энергия поступательного движения молекул или ионов в звуковой волне переходит на внутренние степени свободы, возбуждая их, в результате чего энергия звуковой волны уменьшается, т. е. происходит поглощение звука.

Для описания отклонения системы от равновесия вводят дополнительный параметр ζ, который в зависимости от вида релаксационного процесса может иметь различный физический смысл (например, величина ζ может описывать отклонение концентрации возбуждённых молекул от равновесной, изменение уровней для двухуровневой системы, концентрацию одного из компонентов химической реакции при химической. релаксации и т. п.). Для описания распространения звука в среде с релаксацией рассматриваются как «внешние» параметры, такие, как давление, плотность и температура, так и «внутренние» параметр ζ, изменение которого со временем описывается уравнением

,

где τ — время релаксации, ζ₀ – равновесное значение параметра t.

Звуковое давление р в акустической волне, распространяющейся в среде с релаксацией, оказывается равным сумме давления р₀, обусловленного только изменением плотности, и добавочного давления δ_p, возникающего из-за наличия релаксационного процесса. Это добавочное давление сдвинуто по фазе относительно изменения плотности, что приводит к дополнительному (релаксационному) поглощению звука. Из решения уравнения для гармонической волны можно видеть, что при разных частотах звука отклонение ζ равновесного значения различно, поэтому добавочное давление при том же изменении плотности оказывается разным при разных частотах. Соответственно скорость звука с = (∂р/∂ρ)^1/2 также зависит от частоты, т. е. за счёт релаксации акустической возникает дисперсия скорости звука. Изменение с с частотой происходит от максимального значения с_∞ на высоких частотах (ωτ >> 1), когда процесс установления равновесия не успевает за изменениями плотности, до минимального значения с₀ на низких частотах, когда равновесие полностью успевает установиться при колебаниях плотности и избыточное давление  δ_p = 0.

Учёт релаксации при распространении звука эквивалентен введению комплексной сжимаемости. Волновое число звуковой волны к связано с частотой ω соотношением

.

Скорость звуковой волны и соответствующий коэффициент релаксационного поглощения α_p в зависимости от частоты выражаются приближенными формулами

,

если поглощение звука на длине волны мало (ωτ « 1) и дисперсия скорости звука невелика, т. е. , как это имеет место для большинства релаксационных процессов. Скорость звука и коэффициент поглощения звука в среде с релаксацией связаны между собой соотношением Крамерса – Кронига.

Простейший вид релаксация акустическая – релаксация внутримолекулярного возбуждения, или кнезеровская релаксация. Такая релаксация акустическая происходит, например, в двухатомных и многоатомных газах, где энергия поступательного движения молекул в звуковой волне переходит в анергию, связанную с колебательными и вращательными степенями свободы молекул, т, е. изменяется заселённость вращательных и колебательных уровней. Др. виды релаксации акустической: структурная релаксация в жидкостях, при которой акустическая волна инициирует изменение ближнего порядка в расположении молекул жидкости; хим. релаксация, при которой под действием звука сдвигается равновесие в химической реакции. В твёрдом теле звуковая волна нарушает равновесное распределение фононов, что приводит к релаксационным процессам, определяющим решёточное поглощение звука. Один из видов релаксации акустической в твёрдом теле – релаксация разл. дефектов кристаллической решётки – как точечных, так и линейных (дислокаций), связанная с движением дефектов под действием механических напряжений в упругой волне. При распространении звука в полупроводниках и металлах нарушается равновесное распределение электронов проводимости, что также приводит к релаксации, а следовательно, к дополнительному поглощению звука.

Зависимости скорости звука и коэффициента поглощения от частоты для одного релаксационного процесса имеют универcальный характер независимо от физического. механизма, который лежит в основе релаксации акустической (рисунок 1 и 2). Влияние релаксации акустической на поглощение и скорость звука зависит от соотношения между периодом волны и временем релаксации, т. е. от величины ют, которая характеризует степень восстановления равновесия.

Ввиду большой ширины дисперсной области (более двух порядков по частоте) для экспериментального определения величин нужно проводить измерения ε и τ в широком интервале частот по обе стороны частоты релаксации. На практике релаксационное поглощение звука накладывается на обычное поглощение, обусловленное вязкостью и теплопроводностью, поэтому экспериментальные кривые для не имеют таких ярко выраженных максимумов, как показано на рисунке 2.