Кристаллоаку́стика, раздел акустики, в котором изучаются свойства упругих волн в кристаллах. Вследствие анизотропии в кристаллах возникают принципиально новые акустические явления, невозможные в изотропных средах. Кристаллоакустика сформировалась в отдельное направление исследований в середине 20 в. Развитие этого направления стимулировалось не только потребностями техники, но и нуждами развивавшихся методов физической акустики по изучению дефектов в кристаллах, а также других разделов акустики, таких как акустоэлектроника, акустооптика и сейсмоакустика. В результате были созданы новые экспериментальные и теоретические методы, позволяющие решать волновые задачи упругости в средах произвольной анизотропии.

В упругом кристалле вдоль каждого направления, задаваемого вектором ${\boldsymbol m (|\boldsymbol m|=1)}$, могут распространяться три волны смещений, различающиеся фазовыми скоростями ${v_α (v_1⩽v_2⩽v_3)}$ и взаимно ортогональными векторами поляризации ${\boldsymbol A_α (α=1, 2, 3)}$. Такие волны называют изонормальными, т. к. они имеют одно и то же направление волновой нормали ${\boldsymbol m}$. Векторы поляризации не являются чисто продольными и поперечными, как в изотропных средах. Только вдоль выделенных направлений, называемых продольными нормалями, один из векторов поляризации становится чисто продольным ${(\boldsymbol A_α||\boldsymbol m)}$, а два других вектора – чисто поперечными. Такие направления обычно связаны с элементами симметрии кристалла, но даже в произвольном триклинном кристалле, не имеющем элементов симметрии, всегда имеется не менее трёх независимых продольных нормалей.

В кристаллах существуют и поперечные нормали, вдоль которых одна из трёх изонормальных волн оказывается чисто поперечной. Например, для любого направления ${\boldsymbol m}$ в плоскости симметрии одна из изонормальных волн должна быть поляризована ортогонально к этой плоскости (т. н. SH-волны). Поперечные нормали не являются изолированными: даже в триклинных кристаллах они образуют непрерывные линии на единичной сфере направлений ${\boldsymbol{m}^2=1}$. Продольные нормали на той же сфере задаются точками пересечения указанных линий.

Зависимости ${v_α(\boldsymbol m)}$ определяют три полости поверхности фазовых скоростей, которые могут соприкасаться друг с другом лишь в выделенных точках вырождения, отвечающих направлениям т. н. акустических осей. Это радикально отличает кристалл от изотропной среды, где две внутренние полости ${v_{1,2}(\boldsymbol m)}$ вырождаются в одну общую сферу ${(v_1=v_2= \mathrm {const})}$, отвечающую поперечным волнам. В отличие от продольных и поперечных нормалей, акустические оси не являются обязательной принадлежностью кристалла (хотя пока кристаллы без акустических осей не обнаружены). Акустические оси в кристаллах различаются по геометрии контакта полостей ${v_α(\boldsymbol m)}$, а также по типам поведения векторных полей поляризации ${\boldsymbol A_α(\boldsymbol m)}$ в вырожденных ветвях вблизи точек или линий вырождения (см. рисунок). Существует полная классификация типов акустических осей с алгебраическими признаками каждого из них.

Основные типы акустических осей (вырождений), различающиеся по геометрии контакта полостей поверхности фазовых скоростей и по особенностям полей поляризаций вблизи акустических осей.Основные типы акустических осей (вырождений), различающиеся по геометрии контакта полостей поверхности фазовых скоростей и по особенностям полей поляризаций вблизи акустических осей.Наряду с поверхностью фазовых скоростей удобной характеристикой динамических свойств кристалла является т. н. поверхность медленности ${v_\alpha^{-1} (\boldsymbol m)}$. Нормали к полостям этой поверхности задают направления групповых скоростей соответствующих волн ${v_\alpha^{гр}= \partial v_α/ \partial \boldsymbol m}$, определяющих величину и направление скорости распространения энергии в волне. В отличие от изотропной среды, где ${v_\alpha^{гр}\,||\,\boldsymbol m}$ для любого направления ${\boldsymbol m}$, в кристаллах это свойство реализуется лишь для выделенных направлений, например для продольных нормалей.

Благодаря существованию т. н. конических точек и линий клинового вырождения (см. рисунок, б и в), возникают явления внутренней конической и клиновой рефракции, когда цилиндрический пучок при переходе из изотропной среды в кристалл распространяется далее по конусу или клину.

Поскольку направление потока энергии акустической волны ${\boldsymbol P\,||\,\boldsymbol v_\alpha^{гр}}$ неколлинеарно волновой нормали ${\boldsymbol m}$, то волновой пакет, распространяющийся в телесном угле волновых нормалей $δΩ_{\boldsymbol{m}}$, переносит энергию в другом телесном угле $δΩ_{\boldsymbol{P}}$. В кристаллах существуют особые направления концентрирования энергии, вблизи которых $δΩ_{\boldsymbol{P}}≪δΩ_{\boldsymbol {m}}$. Такие направления отвечают на поверхности медленности точкам нулевой кривизны. В окрестности этих точек возникает явление фононной фокусировки, невозможное в изотропных средах.

Поверхностные акустические волны в кристаллах по своим свойствам гораздо разнообразнее, чем в изотропных средах. Глубина локализации волн в случае анизотропной среды не обязательно порядка длины волны: в окрестности некоторых особых направлений в кристалле поверхностная волна может быть квазиобъёмной и даже объёмной. По аналогии с изотропной средой, справедлива теорема о том, что в каждом направлении на любом срезе произвольного кристалла существует единственная поверхностная волна, которая медленней объёмных волн для того же направления. В отличие от изотропных сред, в кристаллах возможно существование и сверхзвуковых поверхностных волн. Однако они существуют только для выделенных ориентаций и при возмущении геометрии превращаются в т. н. оттекающие поверхностные волны, содержащие малую объёмную компоненту, отводящую энергию вглубь кристалла. Оттекающие волны не существуют в изотропных средах, а в кристаллах наблюдаются экспериментально и применяются в технике.

В пьезоэлектрических кристаллах, наряду с описанными поверхностными волнами рэлеевского типа, возникают дополнительные локализованные моды типа волн Гуляева – Блюштейна, которые нашли многочисленные применения в современной технике. Когда плоскость распространения является плоскостью симметрии, такой модой оказывается локализованная SH-волна. В общем случае на свободной поверхности пьезоэлектрика, в зависимости от электрических граничных условий, возможны либо одна, либо две поверхностные волны.

На плоской границе раздела двух кристаллических сред может распространяться локализованная волна, аналогичная волне Стоунли на границе между двумя изотропными полупространствами. В отличие от поверхностных волн, существование волн Стоунли не обязательно, при этом в каждом направлении не может распространяться более одной такой волны. Если параметры среды допускают существование волны Стоунли, то она должна сохраниться в некотором интервале изменения этих параметров.

Во всех рассмотренных выше случаях скорости волн не зависят от частоты (бездисперсионные волны). Однако дисперсия волн возникает, как только появляется конечный размер среды хотя бы в одном направлении (например, волны Лэмба в пластине и волны Лява в структуре «слой на подложке»). Характерно, что теории таких волн применительно к кристаллам появились лишь в начале 21 в. Разработка этих теорий была вызвана практическими запросами, поскольку акустоэлектронные устройства на волнах таких типов уже работают. Это относится и к развиваемым в последние годы теориям акустических волн в многослойных анизотропных структурах.