Zu den typischen Phänomenen von Schallwellen gehört zweifellos die Schallbrechung, bei der sich die Wellen je nach Änderung der Wellengeschwindigkeit beugen oder ausbreiten. Die Brechung ist kein rein akustisches Phänomen, sondern lässt sich auch in anderen Bereichen beobachten. Ein Beispiel sind Meereswellen, die sich der Küste parallel zum Strand nähern. Ein weiteres Beispiel ist der Grund, warum Glaslinsen verwendet werden können, um schwache Lichtwellen in einem einzigen Punkt zu bündeln. Unter normalen Umständen erwärmt die Sonne die Erde, die ihrerseits Wärme an die Atmosphäre abgibt. Oft ist das Phänomen der Schallbrechung auf das Vorhandensein eines Temperaturgradienten in der Atmosphäre zurückzuführen. Die Luft kühlt mit zunehmender Höhe ab, entsprechend den durch den vertikalen Temperaturgradienten bestimmten Werten. Der vertikale Temperaturgradient ist eine Rate, welche die Änderung der Lufttemperatur im Verhältnis zur Höhe angibt. Schallwellen breiten sich in warmer Luft schneller aus und sind daher in Bodennähe schneller. Zur Analyse dieses Phänomens hilft uns das Huygenssche Prinzip. Vereinfacht ausgedrückt besagt die vom niederländischen Physiker formulierte Definition, dass sich die von einer Quelle erzeugte Schallwelle kugelförmig ausbreitet. Jeder Punkt der aufeinanderfolgenden Wellenfronten wird zu einer Sekundärquelle, die ihrerseits weitere Wellen mit denselben Eigenschaften wie die ursprüngliche Welle erzeugt (die Wellenfront ist die Gesamtheit der Punkte, die beim Durchgang einer bestimmten Welle im Einklang schwingen). Das Huygenssche Prinzip lässt sich an einem einfachen Beispiel erklären. Manchmal sehen wir einen Blitz vom Himmel herabfahren, können aber den darauffolgenden Donner nicht hören. Dies geschieht aufgrund der Schallbrechung und des Huygensschen Prinzips: Die Schallwellen des Donners werden in vertikaler Richtung stark gebrochen, wodurch eine „Schattenzone“ entsteht, in der das Geräusch nicht wahrgenommen wird. Typischerweise lässt sich dieses besondere Phänomen in einer Entfernung von etwa 22,5 Kilometern vom Einschlagpunkt eines Blitzes beobachten, der in 4.000 Metern Höhe entstanden ist.
Das Phänomen der Schallbrechung kann durch das Einfügen bestimmter Elemente in eine bestimmte Umgebung kontrolliert werden. Konzertsäle oder Räume mit großer Personenkapazität erfordern eine sorgfältige akustische Planung, um das richtige Maß an Nachhall und Wellenausbreitung zu erreichen. In diesen weitläufigen Räumen kann es scheinbar schwierig sein, jeden nicht verstärkten Klang, der von Musikinstrumenten oder Stimmen erzeugt wird, klar und verständlich zu machen. Die Lösung bieten Spiegel und Deflektoren, Holzpaneele verschiedener Formen mit glatten oder rauen Oberflächen, je nach Bedarf. Diese Elemente sind so angeordnet, dass sie die Schallwellen lenken und verteilen, damit alle Zuhörer die von der Quelle ausgesendeten Klänge perfekt und gleichmäßig hören können, unabhängig von ihrer Position im Raum. Der gegenteilige Effekt wird durch schallabsorbierende Paneele erzielt, die den Schall absorbieren, anstatt ihn zu reflektieren. Diese porösen Materialien werden häufig in Kinos verwendet, in denen es notwendig ist, den Nachhall und unerwünschte Geräusche aufgrund der Leistung der darin befindlichen Lautsprecher zu reduzieren. Um die Schallbrechung zu optimieren, werden vor allem in Theatern gekrümmte akustische Spiegel verwendet, die dank ihres Linseneffekts die Schallwellen in Richtung des Publikums ausbreiten. Diese akustischen Linsen bestehen aus mehreren Schichten geformter Materialien; jede davon ist für die Klangmodifikation in Bezug auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle verantwortlich, ähnlich wie bei den entsprechenden optischen Linsen, bei denen die Bearbeitung der Linse ihre Stärke bestimmt. Akustische Linsen werden häufig zum Erfassen akustischer Signale in Sonaren verwendet, da sie die besondere Eigenschaft besitzen, das Signal zu verstärken und zu lenken. Eine weitere Anwendung dieser nützlichen Geräte erfolgt im medizinischen Bereich, beispielsweise bei Ultraschalluntersuchungen für Sonographien.
Das Phänomen der Schallbrechung lässt sich jedoch auch in verschiedenen Situationen unseres Alltags beobachten. Beispielsweise kommt es nachts oder an Tagen, an denen der Himmel ziemlich bedeckt ist, zu einer Temperaturumkehr. Die Luft ist tatsächlich wärmer, je höher man steigt. In diesem Fall erfolgt die Schallbrechung in Richtung des Bodens. Das Phänomen der Temperaturumkehr ist der Grund, warum Schallwellen nachts aus größeren Entfernungen deutlicher gehört werden können. Der Effekt ist sogar noch besser, wenn sich der Schall über Wasser ausbreitet, wodurch er aus großen Entfernungen äußerst klar hörbar ist.
Die Schallbrechung ist ein Phänomen, das auch an windigen Tagen verstärkt auftritt. Da sich der Wind in größeren Höhen schneller bewegt, verursacht er eine Änderung der effektiven Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Bodenabstand. Ein weiteres Beispiel für Schallbrechung findet sich in den Ozeanen. Unter normalen Umständen sinkt die Temperatur der Ozeane mit zunehmender Tiefe. Dies führt zu einer Brechung der unter Wasser erzeugten Schallwelle nach unten (genau das Gegenteil des zuvor beschriebenen Phänomens der „Schattenzone“, die durch die vertikale Brechung der Schallwelle des Donners entsteht). Meeresbiologen zufolge verstärkt das Phänomen der Schallbrechung in den Ozeanen die Ausbreitung der von Meeressäugern wie Walen und Delfinen erzeugten Schallwellen und hilft ihnen so, über große Entfernungen miteinander zu kommunizieren.