Дифракция света на ультразвуке

Содержание

Глава 1. Акустооптические явления. Акустооптические устройства

1.1 Понятие акустооптики

1.2 Основные акустооптические явления

1.3 Акустооптические устройства

1.4 Применение акустооптических явлений

Глава 2. Ультразвук. Дифракция  света на ультразвуке

2.1 Ультразвук и его  рождение

2.2 Физические свойства  и особенности распространения  ультразвука

2.3 Генерация ультразвука

2.4 Прием и обнаружение  ультразвука, его применение.

2.5 Понятие дифракции.  Дифракция света на ультразвуке

Глава 3. Расчет диодного ограничителя амплитуды в ультразвуковом дефектоскопе

3.1 Ультразвуковые дефектоскопы и их устройство

3.2 Амплитудные ограничители

3.3 Диодные ограничители  амплитуды

3.4 Исходные данные и  задачи расчета. Методика расчета  диодного ограничителя амплитуды

3.5 Пример расчета диодного  ограничителя амплитуды

Заключение

Глава 1. Акустооптика и Акустооптические явления

1.1 Понятие акустооптики

Акустоо́птика — раздел физики, изучающий взаимодействие оптических и акустических волн (акустооптическое взаимодействие), а также раздел техники, в рамках которого разрабатываются и исследуются приборы, использующие акустооптическое взаимодействие (акустооптические приборы).

Для обозначения широкого круга явлений, связанных с акустооптическим взаимодействием, иногда используют общий  термин «акустооптический эффект». Практически в любом акустооптическом устройстве акустическая волна возбуждается с помощью того или иного электроакустического преобразователя, чаще всего пьезоэлектрического. Таким образом, акустооптические приборы  управляются с помощью электрических  сигналов, которые вырабатываются в  соответствующих электронных блоках управления. Акустооптику в связи с этим считают ветвью функциональной электроники.

Взаимодействие света  со звуком используется в современной  оптике, оптоэлектронике, лазерной технике  для управления когерентным световым излучением.

        Акустооптическое  взаимодействие сводится к эффектам  оптической рефракции и дифракции  лишь при низких интенсивностях  оптического излучения. С повышением  интенсивности света все возрастающую  роль начинают играть нелинейные  эффекты воздействия света на  среду. Из-за электрострикции и эффектов нагревания среды оптическим излучением в ней возникают переменные упругие напряжения и генерируются звуковые волны с частотами от слышимых до гиперзвуковых – так называемые оптоакустические или фотоакустические явления.

    В поле мощного  оптического излучения в результате  одновременного протекания процессов дифракции света на ультразвуке и генерации ультразвуковых волн вследствие электрострикции происходит усиление светом ультразвуковой волны. В частности, при распространении в среде интенсивного лазерного излучения наблюдается так называемое вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, при котором происходит усиление лазерным излучением тепловых акустических шумов, сопровождающееся нарастанием интенсивности рассеянного света. К оптоакустическим эффектам относится также генерация акустических колебаний периодически повторяющимися световыми импульсами, которая обусловлена переменными механическими напряжениями, возникающими в результате теплового расширения при периодическом локальном нагревании среды светом.

    Эффекты акустооптического  взаимодействия используются как  при физических исследованиях,  так и в технике. Дифракция  света на ультразвуке дает возможность измерять локальные характеристики ультразвуковых полей. По угловым зависимостям дифрагированного света определяются диаграмма направленности и спектральный состав акустического излучения. Анализ эффективности дифракции в различных точках образца позволяет восстановить картину пространственного распределения интенсивности звука. В частности, на основе акустооптических эффектов осуществляется визуализация звуковых полей. С помощью брэгговской дифракции удается получить информацию о спектральном, угловом и пространственном распределении акустических фононов в ДВ-области фононного спектра. Этот метод представляет ценность для изучения неравновесных акустических фононов, например, в условиях фононной (акустоэлектрической) неустойчивости в полупроводниках, обусловленной усилением ультразвука сверхзвуковым дрейфом носителей заряда.

    Акустооптическая  дифракция позволяет также измерять  многие параметры вещества: скорость  и коэффициент поглощения звука,  модули упругости 2-го, 3-го и  более высоких порядков, упругооптические постоянные и др. величины. Так, из условия Брэгга по известным значениям частоты ультразвука f и длины волны света   , и по измеренному углу 20 Б между падающим и дифрагированными световыми лучами определяют скорость звука:   (где 20 Б - угол Брэгга). На основе полученных таким образом значений Сзв, для различных направлений рассчитывается полная матрица модулей упругости Cij. Коэффициент поглощения звука   можно найти, сравнивая интенсивности I1 и I2 дифрагированного света, измеренные при двух положениях падающего светового луча, смещенных друг относительно друга на расстояние, а вдоль направления распространения звуковой волны:

При распространении в  среде звуковых волн большой интенсивности  данные о модулях упругости высших порядков получают измеряя с помощью брэгговской дифракции амплитуды возникающих в волне гармоник, которые пропорциональны нелинейным модулям упругости соответствующих порядков.

    Для исследования  дисперсии скорости звука и  коэффициента его поглощения  на гиперзвуковых частотах используется  рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Пропуская через среду луч когерентного оптического излучения и фиксируя угол рассеяния 0, можно из условий Брэгга по величине спектрального сдвига f  компонент Мандельштама-Бриллюэна определить скорость звука Сзв на данной частоте f. На основе измерений полуширины   компонент Мандельштама-Бриллюэна определяется коэффициент поглощения  на этой частоте:  

    На основе оптоакустической генерации звука создан метод фотоакустической спектроскопии для получения спектров оптического поглощения веществ в различных физических состояниях. В этом методе коэффициент поглощения света измеряется по интенсивности звуковых колебаний, возбуждаемых периодически прерываемым светом. Например, при периодическом нагреве газа в нем возникают звуковые колебания с амплитудой, пропорциональной поглощенной световой энергии. Меняя длину волны падающего света, можно получить фотоакустический спектр вещества - полный аналог спектра поглощения, измеряемого обычными методами. Достоинство фотоакустической спектроскопии в высокой чувствительности метода, позволяющего получать спектры оптического поглощения в широком диапазоне световых длин волн, включающем в себя как области сильного поглощения, так и области прозрачности; кроме того, этим методом измеряется только та часть энергии падающего излучения, которая действительно поглощается веществом, а рассеянное излучение никакого вклада не дает. Это позволяет исследовать спектры поглощения образцов с плохим качеством поверхности: порошков, рыхлых, пористых материалов, биологических объектов.

1.2 Основные акустооптические явления

Дифракция света на ультразвуке (акустооптическая дифракция) — совокупность явлений, связанных с отклонением  от законов прямолинейного распространения  света в среде в присутствии  ультразвуковой волны. В результате периодического изменения показателя преломления света под действием звуковой волны в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решётке. Если в такой структуре распространяется пучок монохроматического света, то в ней, помимо основного, возникают пучки отклонённого (дифрагированного) света. Поскольку дифракция происходит на движущейся решётке, то в результате Доплера эффекта частота дифрагированного света оказывается сдвинутой по отношению к частоте   падающего света: для m-го порядка дифракции

                                                =⍵±Ω                                         (1)

где   - частота дифрагированного света, Ω - частота звука. Частота света, отклонённого в сторону распространения ультразвуковой  волны, увеличивается, а отклонённого в противоположную сторону - уменьшается.

Рефракция света на ультразвуке (акустооптическая рефракция).

Рефракция— преломление лучей света в земной атмосфере.  Если бы атмосфера была однородна, то лучи света, преломившись на ее пределе, распространялись бы далее прямолинейно. На самом деле плотность воздуха от границы атмосферы до поверхности Земли постепенно увеличивается, лучи света преломляются непрерывно, и их пути представляют кривые, вогнутостью обращенные к Земле. Наблюдатель видит звезду по направлению касательной к траектории луча, поэтому рефракция изменяет видимое положение всех светил на небесном своде, и все астрономические наблюдения должны быть исправлены из-за рефракции.

Усиление слабых акустических волн, а также их генерация под  действием мощной оптической волны (фотоакустические или оптоакустические явления).

Соответственно, раздел физики (акустики), изучающий возбуждение  акустических волн под влиянием оптической волны, называют фотоакустикой или оптоакустикой.

Под воздействием мощной волны  ультразвука в жидкости может  наблюдаться, в свою очередь, генерация  оптической волны — так называемая сонолюминесценция.

Сонолюминесце́нция — явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней стоячую сферическую ультразвуковую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий точечный источник голубоватого света — звук превращается в свет.

История и ранние исследования

Несмотря на то, что явление  впервые наблюдалось ещё в 1930-е  годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, то есть всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

Слева направо: появление  пузырька, медленное расширение, быстрое  и внезапное схлопывание, испускание света.

В 1990-х годах появились  установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (то есть накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла: стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.

В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (то есть пока давление остаётся отрицательным), пузырёк растёт, причём если стоячая  звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр  пузырька достигал долей миллиметра.

В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.

В заключительные доли периода  из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.

Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно  усиливает эффект.

Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.

Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных спектральных линий. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвин

Именно спектр стал главным  камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

1.3 Акустооптические устройства

Акустооптические устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и  направлением распространения светового  луча. Важной областью практического  применения акустооптических эффектов являются системы обработки информации, где акустооптические устройства используются для обработки СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени

    Акустооптические  дефлекторы и сканеры — устройства  для управления направлением  светового луча в пространстве. Сканеры предназначаются для  непрерывной развертки луча; в  дефлекторе имеется набор фиксированных  направлений, по которым должен  отклоняться световой луч. В  дифракционном дефлекторе  луч  света падает на акустооптическую  ячейку, в которой возбуждается  звуковая волна частоты f и в результате брэгговской дифракции частично отклоняется. При изменении f меняется и угол отклонения дифрагированного луча, и луч перемещается по экрану фотоприемного устройства. Использование частотно-модулированных звуковых сигналов позволяет управлять направлением светового луча. Чтобы изменить направление дифрагированного луча при неизменном угле падения света на акустооптическую ячейку, необходимо одновременно с частотой менять и направление распространения звуковой волны, так чтобы условие Брэгга выполнялось повсюду внутри интервала   звуковых частот - так называемой полосы пропускания дефлектора.   определяет и др. параметры прибора: максимальное угловое перемещение луча дифрагированного света

    и разрешающую  способность N, т. е. число различимых  положений светового луча в  пределах   . Разрешающая способность определяется величиной   и угловой расходимостью   светового пучка:

    где d - поперечный размер светового пучка. Важной характеристикой устройств пространственного управления лучом является также эффективность дифракции  отношение интенсивности I1отклоненного света к интенсивности I2 падающего. В простейшем случае условия Брэгга выполняются благодаря расходимости акустического пучка. Расходящийся пучок можно рассматривать как совокупность плоских волн, волновые векторы которых лежат внутри углового интервала   . Для заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на той компоненте пучка, для которой волновой вектор удовлетворяет условию Брэгга. При изменении f этому условию удовлетворяет уже другая компонента пучка. При использовании изотропного материала в качестве рабочего тела акустооптической ячейки , где D - поперечный размер звукового пучка,  - длина волны звука. В соответствии с этим полоса пропускания   и разрешающая способность N оказываются пропорциональными расходимости акустического пучка:

    Для дефлектора  с высокой разрешающей способностью  требуется значительная расходимость  звукового пучка, а, следовательно,  его минимальная ширина D. Уменьшение  эффективности   , вызванное уменьшением длины акустооптического взаимодействия, компенсируют увеличением вводимой акустической мощности. Однако с увеличением N падает эффективность использования этой мощности, т. к. на дифракцию света расходуется лишь 1/N ее часть. Применение в акустооптической ячейке двулучепреломляющих материалов позволяет существенно улучшить характеристики дефлекторов. С этой целью используется анизотропная дифракция света вблизи мнимого значения угла Брэгга  . При падении света на звуковой пучок под углом   небольшая расходимость звукового пучка обеспечивает выполнение условия Брэгга для достаточно широкого диапазона акустических частот, а, следовательно, и значительный интервал углов отклонения дифрагированного света. Это позволяет пользоваться широким акустическим пучком, что снижает акустическую мощность, необходимую для получения высокой эффективности дифракции   , и дает значительный выигрыш в разрешении по сравнению с дефлекторами, в которых используются изотропные материалы. Однако рабочие частоты таких приборов лежат обычно в гигагерцевом диапазоне. Управлять дифрагированным лучом можно используя т. н. фазированную решетку излучателей - ступенчатую систему сдвинутых по фазе преобразователей, параметры которой подбираются таким образом, чтобы фронт волны, отвечающей центральной частоте полосы пропускания, был параллелен плоскости отдельного преобразователя, а при изменении частот фронт поворачивался бы так, чтобы компенсировать соответствующее приращение угла Брэгга. Этот способ возбуждения звука позволяет в несколько раз увеличить полосу пропускания и разрешающую способность дефлекторов. Существуют акустооптические дефлекторы, осуществляющие двухкоординатное отклонение светового луча. В этом случае используются два скрещенных одномерных дефлектора, которые могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке, если в ней возбуждаются акустические волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Современные дефлекторы позволяют получать   разрешимых элементов со временем перехода от одного элемента к другому порядка   с. Доля отклоненного света достигает нескольких десятков процентов при потребляемой акустической мощности 0,1 - 1 Вт. В устройствах, основанных на акустооптической рефракции, отклонение светового луча осуществляется в результате искривления его пути при прохождении через среду, в которой стоячей или бегущей звуковой волной создается неоднородная деформация. Такие устройства представляют собой относительно низкочастотные приборы (   МГц), осуществляющие развертку светового пучка по синусоидальному закону. КПД рефракционных устройств мал, т. к. лишь ничтожная часть звуковой энергии, заключенной в объеме  акустооптической ячейки , расходуется на отклонение светового луча.

    Акустооптические  модуляторы — приборы, управляющие  интенсивностью световых пучков  на основе перераспределения  световой энергии между проходящим  и дифрагированным светом. Обычно используется модуляция дифрагированного света, т. к. 100%-ная модуляция проходящего излучения требует значительных акустических мощностей

    Акустооптические  фильтры — устройства, позволяющие  выделить из широкого спектра  оптического излучения достаточно  узкий интервал длин световых  волн, удовлетворяющих условию Брэгга. Изменяя частоту звука, можно  выделяемый интервал перемещать  по оптическому спектру в широких  пределах.

  Акустооптические процессоры  — осуществляют те или иные  математические операции над  оптическими и акустическими  сигналами. В частности:

корреляторы — вычисляют  корреляцию двух сигналов;

конвольверы — выполняют  математическую операцию свёртки двух сигналов;

матрично-векторные процессоры — выполняют операции линейной алгебры;

Акустооптические приборы, рассмотренные выше, служат основой  для создания устройств обработки  СВЧ-сигналов – так называемых процессоров, которые, в отличие от цифровых вычислительных машин, позволяют производить обработку информации в реальном масштабе времени. В акустооптическом процессоре переменный во времени электрический сигнал преобразуется электроакустическим преобразователем в ультразвуковую волну, которая, распространяясь в акустооптической ячейке, создает пространственное звуковое изображение сигнала. При дифракции света на звуковом сигнале в дифрагированном излучении возникает оптическое изображение сигнала, которое затем обрабатывается с помощью различных оптических элементов: линз, зеркал, диафрагм, транспарантов и др. Обработка сигнала осуществляется путем одновременного считывания всей запасенной в звуковом импульсе информации. Акустооптические процессоры осуществляют быстрое, в реальном масштабе времени, фурье-разложение СВЧ-сигнала, частотную фильтрацию сигнала, нахождение функции корреляции исследуемого сигнала с заданным и другие операции.

    Акустооптический  коррелятор предназначен для  нахождения функции корреляции  двух сигналов исследуемого S(t) и опорного r(t):

 Действие коррелятора  основано на оптическом перемножении  изображений этих сигналов. Свет  в акустооптическом модуляторе, дифрагируя на звуковой волне, модулированной сигналом S(t), формирует оптическое изображение этого сигнала. Далее дифрагированный свет проходит через пространственный фильтр, пропускание которого меняется по закону r(x) и собирается на фотоприемном устройстве, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный функции корреляции  . В качестве пространственного фильтра может использоваться второй акустооптический модулятор, в котором УЗ-волны модулируются сигналом r(t).

Акустооптическое взаимодействие также успешно применяется для анализа параметров упругих волн, распространяющихся в жидких и твердых средах, например, в стеклах и кристаллах.

Развёртывающие устройства — позволяют считывать оптическое изображение построчно и преобразовывать  его с помощью одноэлементного  фотоприемника в последовательность электрических сигналов.

Анализаторы электрических  сигналов (радиосигналов):

анализаторы спектра радиосигналов;

измерители фазы радиосигналов.

Устройства регулируемой задержки — задерживают сигнал на определенное время, длительность которого, в отличие от твердотельных акустоэлектронных  линий задержки, легко регулируется (положением оптического луча).

Компрессоры радиоимпульсов — осуществляют сжатие электрических  импульсов.

Акустооптические системы  с обратными связями:

-системы стабилизации  оптических и электрических параметров (например, системы стабилизации  интенсивности оптического пучка);

-электронно-акустооптические  генераторы — автоколебательные  системы, содержащие в качестве  основного нелинейного элемента  акустооптическое устройство; позволяют  получать согласованные автоколебания  электрических, акустических и  оптических величин, включая регулярные  и стохастические колебательные  режимы;

-бистабильные и мультистабильные системы — акустооптические системы, характеризующиеся двумя или несколькими стабильными состояниями, между которыми возможно переключение при определенном внешнем воздействии; такие системы можно рассматривать как оптические аналоги электронных триггеров.

 В узком смысле под  акустооптическими явлениями понимают  только дифракцию и рефракцию  света на ультразвуке. Основным  явлением, которое используется  в современных акустооптических  приборах, является акустооптическая  дифракция.

1.4 Применение акустооптических явлений

Акустооптический эффект широко применяется как в научных  исследованиях, так и в технических  устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать акустические поля и контролировать качество прозрачных материалов. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются чрезвычайно эффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи и оптические процессоры.

Разнообразные применения акустооптических приборов становятся возможными благодаря  многогранности акустооптического  эффекта, с помощью которого можно  эффективно манипулировать всеми параметрами  оптической волны. Так акустооптические устройства позволяют управлять  интенсивностью лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков.

Глава 2.

Явление ультразвука

Ультразвук — упругие  колебания и волны с частотами  приблизительно от 1,5— 2× Гц (15—20 кГц) и до Гц (1 ГГц), область частот ультразвука от до Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5×—Гц) — УНЧ, ультразвук средних частот (— Гц) — УСЧ и область высоких частот ультразвука (— Гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения. 

Рождение ультразвука

В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что  при сжатии и растяжении кристалла  кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это  явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» - «давлю»), а материалы с такими свойствами - пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца - разные физические свойства вдоль разных граней.

Во время первой мировой  войны французский исследователь  Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения  подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.

Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой  частоты. При этом он заметил, что  кристалл колеблется в такт изменению  напряжения.

Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами  не одну, а несколько пластинок  и добился возникновения резонанса - резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили  создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились  излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров.

Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что  при перемагничивании электрическим  током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока.

При этом в окружающей среде  возбуждаются волны, частота которых  зависит от колебаний стержня. Это  явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» - «сжатие»).

Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач.

 Физические свойства  и особенности распространения  ультразвука

По своей физической природе  ультразвук представляет собой упругие  волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между  звуковыми и ультразвуковыми  волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4×—3,4× см, в воде 1,5×—1,5× см и в стали 5×— 5× см, ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука с и коэффициент поглощения a, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости с и особенно, а от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

Совокупность уплотнений и разряжений, сопровождающая распространение  ультразвуковой волны, представляет собой  своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать  в оптически прозрачных телах. Малая  длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать  их распространение в ряде случаев  методами геометрической акустики. Физически  это приводит к лучевой картине  распространения. Отсюда вытекают такие  свойства ультразвука, как возможность  геометрического отражения и  преломления, а также фокусировки  звука.