On the application of subwavelength corrugated surfaces for sound field manipulation

This thesis explores the theoretical foundations and practical applications of subwavelength corrugated surfaces (SCSs), a class of acoustic metasurfaces capable of compact and efficient wavefront manipulation. The work begins with a review of recent advances in metamaterials and metasurfaces in both electromagnetic and acoustic domains, emphasizing their increasing versatility. The geometry of a previously proposed SCS, originally introduced by Zhu et al. (2015), is then reconstructed to replicate key results, including both planar and caustic-shaped reflected wavefronts. The study proceeds to investigate focusing capabilities through numerical simulations, analyzing how geometric variations influence frequency response and energy redirection efficiency. A numerical design algorithm is developed to synthesize SCSs capable of producing arbitrary reflected wavefronts without relying on an analytical description of the target profile. Although computationally demanding, the method demonstrates strong potential for narrowband applications that require high precision in acoustic wave control. In the final part, the integration of SCSs into real-world audio systems is examined through 3D simulations using COMSOL Multiphysics. A case study involving rear wave control in closed-box loudspeakers illustrates how SCSs can reduce internal reflections, improve spatial sound coverage, and minimize the need for additional acoustic treatments. This work contributes to the understanding of wavefront shaping via SCSs and highlights their potential for practical implementation in advanced acoustic systems.

Questa tesi indaga i principi teorici e le applicazioni pratiche delle superfici corrugate sublunghezza d’onda (SCS), una classe di metasuperfici acustiche in grado di manipolare i fronti d’onda riflessi in modo compatto ed efficiente. Il lavoro si apre con una rassegna degli sviluppi più recenti nel campo dei metamateriali e delle metasuperfici, sia in ambito elettromagnetico che acustico, evidenziando la crescente versatilità di queste strutture. Ricostruendo la geometria della SCS introdotta da Zhu et al. (2015), sono stati riprodotti i risultati originali, inclusi fronti d’onda riflessi planari e di tipo caustico. Lo studio si è poi focalizzato sulla capacità di focalizzazione delle SCS, mediante simulazioni numeriche volte ad analizzare come diverse configurazioni geometriche influenzino la risposta in frequenza e l’efficienza della riflessione acustica. È stato sviluppato un algoritmo numerico per progettare superfici in grado di generare fronti d’onda riflessi arbitrari, senza la necessità di una descrizione analitica del profilo desiderato. Sebbene il metodo presenti un certo costo computazionale, ha dimostrato un buon potenziale per applicazioni a banda stretta che richiedono un controllo acustico preciso. L’ultima parte del lavoro esplora l’impiego delle SCS in sistemi audio realistici, attraverso simulazioni tridimensionali realizzate con COMSOL Multiphysics. Un caso studio riguardante il controllo dell’onda posteriore in altoparlanti a cassa chiusa mostra come le metasuperfici focalizzanti possano ridurre le riflessioni interne, migliorare l’area d’ascolto utile e diminuire la necessità di trattamenti acustici aggiuntivi. Questo lavoro contribuisce alla comprensione dei meccanismi alla base della manipolazione dei fronti d’onda tramite SCS e fornisce indicazioni concrete sulla loro integrazione in sistemi acustici applicati.