Молекуля́рная аку́стика, раздел физической акустики, в котором атомно-молекулярное строение и физические свойства вещества исследуются на основе данных о скорости и поглощении акустических волн (звука). Скорость звука непосредственно связана с равновесной структурой вещества и взаимодействием молекул. Коэффициент поглощения звука определяется релаксационными процессами в веществе (см. акустическая релаксация), т. е. кинетикой меж- и внутримолекулярных процессов. Экспериментальной основой молекулярной акустики являются методы акустической спектроскопии. Молекулярную акустику можно считать также одним из подразделов молекулярной физики.

Первые исследования по молекулярной акустике проведены в 1910 г. в лаборатории П. Н. Лебедева: было показано, что поглощение звука в воздухе существенно превышает значение, предсказанное классической гидродинамикой (см. уравнения Навье – Стокса). В 1920–1930-х гг. обнаружена дисперсия звука в жидкостях и газах и отклонение коэффициента поглощения звука от классического закона пропорциональности квадрату частоты. Эти явления были объяснены влиянием молекулярных релаксационных процессов, что позволило связать молекулярные свойства вещества с его акустическими параметрами. В работах Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича (1937) разработана теория релаксационных процессов в звуковой волне, составляющая теоретическую основу молекулярной акустики.

Внутреннее строение вещества можно охарактеризовать некоторым параметром ${ξ}$ (он может означать, например, концентрацию возбуждённых молекул, количество ассоциатов или других элементов структуры жидкости). При локальных изменениях давления ${P}$ и температуры ${T}$, имеющих место в акустической волне, инициируется большинство возможных в данном веществе молекулярных превращений. При этом равновесное значение параметра ${ξ}$ (соответствующее данным ${P}$ и ${T}$) достигается не мгновенно, а с некоторым запaздыванием, поэтому происходит процесс самопроизвольного изменения параметра ${ξ}$ по направлению к равновесному значению (релаксация), который является необратимым и сопровождается превращением энергии акустических колебаний в энергию теплового движения, т. е. поглощением звука, а также дисперсией звука. Зависимость произведения коэффициента поглощения на длину волны от циклической частоты $\omega$ имеет максимум при значении $\omega = 1/ \tau$, где $\tau$ – время релаксации. Этой же частоте соответствует максимальный наклон частотной зависимости скорости звука. Измерение скорости и поглощения звука в зависимости от частоты при различных внешних условиях (температура, давление, внешние поля и т. д.) позволяет судить о природе релаксационных процессов, определить их кинетические и равновесные параметры.

Методы молекулярной акустики широко применяются при исследованиях фазовых переходов 2-го рода и критических явлений, процессов возбуждения внутримолекулярных колебаний, установления равновесия при химических реакциях, переходов между изомерами, перестройки молекулярной структуры жидкостей и аморфных тел, в том числе сильновязких жидкостей, полимеров и стёкол. Исследования поглощения звука в твёрдых телах дают, в частности, информацию о поведении электронов и об особенностях электрон-фононного взаимодействия.

Измерения скорости звука могут производиться с погрешностью 10^–4–10^–6, что позволяет с гораздо большей точностью, чем в других методах, измерять компоненты тензора модулей упругости кристаллов, а также оценивать температуру Дебая. Исследования температурной зависимости скорости звука дают информацию о характере агрегатных и структурных фазовых переходов.

Для исследований в молекулярной акустике обычно используют ультразвуковые и гиперзвуковые волны: в диапазоне частот от 10⁴ до 10¹⁰ Гц применяют акустические методы измерений, для частот до 10¹² Гц – оптические методы с использованием рассеяния Мандельштама – Бриллюэна света и рентгеновского излучения.