Abstract

In this thesis, acoustic lenses are investigated, i.e., devices placed in front of loudspeakers to concentrate sound not only into a particular direction, but specifically onto a defined focal point. Acoustic lenses consist of solid structures, into which air slits of prescribed geometry are placed. They are assembled from unit cells that include at least one variable geometric parameter determining the phase shift caused by a unit cell. The sum of unit cells forms an acoustic lens with a surface phase distribution designed such that all elementary waves coming from the surface add constructively at the focal point. First, mathematical models are developed for ideal lenses as well as for practical realizations and technologies. The technologies presented for implementing unit cells with variable phase shift have so far typically been used to design line-shaped lenses, i.e., lenses intended to focus sound on a plane. In this thesis, the approach is generalized to surface-shaped lenses. These mathematical models can be validated by FEM simulations (finite element method) for the ideal lens. For real lenses, deviations from the ideal case are observed, which can largely be explained by the modelling assumptions required for practical lens implementations. It is shown that in the audible frequency range above 2 kHz, acoustic lenses can be used for relatively short source–to-receiver distances. However, focusing sound at lower frequencies remains challenging, and further optimization is required to reduce the overall size and thickness of acoustic lenses.

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden akustische Linsen untersucht, also Vorrichtungen, die vor Lautsprechern positioniert werden, um den Schall nicht nur in eine bestimmte Richtung, sondern ganz gezielt auf einen bestimmten Fokuspunkt konzentrieren zu können. Akustische Linsen bestehen aus Festkörpern, in die Luftschlitze bestimmter Form eingebracht werden. Sie sind aus Einheitszellen zusammengesetzt, die zumindest einen variablen geometrischen Parameter haben, der die Phasenverschiebung einer Einheitszelle bestimmt. Die Summe aller Einheitszellen ergibt eine akustische Linse mit einer Phasenverteilung an ihrer Oberfläche, die so konstruiert wird, dass sich am Fokuspunkt alle von ihr ausgehenden Elementarwellen konstruktiv addieren. Zunächst werden mathematische Modellbildungen für ideale Linsen sowie für Realisierungsformen bzw. -technologien gemacht. Die vorgestellten Technologien zur Realisierung von Einheitszellen mit variabler Phasenverschiebung wurden bisher in der Regel zum Entwurf von linienförmigen Linsen verwendet, also solche, die den Schall in einer Ebene fokussieren sollen. In dieser Arbeit wird dies auf den Fall flächenförmiger Linsen verallgemeinert. Diese mathematischen Modelle können anhand von FEM-Simulationen (Finite Element Method) für die ideale Linse verifiziert werden. Bei realen Linsen zeigen sich Abweichungen zur idealen Linse, die größtenteils durch die Modellierung realer Linsen erklärt werden können. Es stellt sich heraus, dass akustische Linsen im Hörfrequenzbereich ab 2 kHz für kleinere Distanzen zwischen Quelle und Empfänger durchaus eingesetzt werden können. Die Fokussierung von Schall für tiefere Frequenzen bleibt jedoch herausfordernd, und die Reduktion der Linsengröße und Linsendicke akustischer Linsen bedarf noch einiger Optimierung.

Full Text and additional Material

You can download the full version of the master thesis here.