应用声有限元素法模拟坐席吸声低谷效应

本文给出了应用声有限元素法模拟坐席吸声低谷效应的计算模型。该模型首先在时间域计算房间脉冲响应,再通过傅立叶变换得到声压频谱特性。将有限元分析结果与已有的模型实验及大厅实测数据相比较,证明该方法是研究坐席吸声低谷效应的有效手段。     

室内声学时域有限差分模拟中的边界条件

给出了时域有限差分法用于室内声学问题模拟中的边界条件,结合声波方程的基本差分格式,模拟并分析了高斯脉冲在4m×4m房间中的波动过程和脉冲响应;模拟了一9m×6m×4m房间的简正频率,并与经典理论计算值进行了对比;模拟了一12m×5m×4m水平地面房间中的坐席吸声低谷效应,并与Joe LoVtri的模拟结果进行了对比;模拟并实际测量了一10.6m×5.8m×3.4m房间在几个受声点的脉冲响应和早期衰变时间EDT,将模拟结果与实际测量结果进行了对比分析,计算程序是用Metlab语言编写的。模拟与经典理论、相关研究、实际测量几方面的对比分析,验证了本边界条件的可靠性。     

微波脉冲与圆柱腔体耦合的时域有限差分模拟

给出了微波脉冲与腔体上孔洞线性耦合的物理模型,讨论了数值模拟的时域有限差分方法以及吸收边界条件,计算了不同大小和位置孔洞的耦合过程,分析了耦合对孔洞大小和入射场偏振方向的依赖关系.     

电磁波在磁化等离子体中传播的时域有限差分模拟

基于Z变换形式的时域有限差分法计算公式,模拟了传播方向垂直于磁化磁场的电磁波在磁化等离子体层中的传播.通过离散傅立叶变换,给出了电磁波通过均匀和非均匀磁化等离子体后的反射系数和透射系数随频率的变化关系.还给出了电磁波经过均匀磁化等离子体层后的反射和透射系数和理论值的对比.     

时域有限差分法在建筑声学中的应用及前景

介绍了声波方程的基本差分格式及稳定条件、数值色散、吸收边界条件等数值计算理论，例举了前人用时域有限差分法对噪声传播过程的模拟和室内声学中座椅吸声低谷效应模拟的模拟结果。本文指出，由于时域有限差分法的特点使其具有在模拟脉冲响应方而的特别优势，因而，应用这一技术研究厅堂的声学特性，尤其是低频特性，将有重要意义。     

聚合物自写入光波导的时域有限差分模拟

利用时域有限差分方法,对非线性光学聚合物SU-8环氧树脂在激光作用下,其折射率会升高的过程进行了数值模拟与分析,得到SU-8薄膜与激光作用一定时间之后,其内部折射率的分布。分别对表面是平面及表面带有微透镜的SU-8薄膜进行了模拟。结果表明,利用折射率升高引起的自聚焦效应,可以在SU-8薄膜内自写入波导;写入的波导以自聚焦焦点为分界点,分为锥形波导和柱形波导。写入的波导长度随着与激光作用时间的增加而增长;在与激光相同的作用时间里,表面带有微透镜的SU-8薄膜,与表面是平面的SU-8薄膜相比,锥形波导的旁瓣更收敛,写入的波导长度更长;在微透镜底面半径保持不变以及曝光时间一定时,微透镜冠高与底面半径比例为0.08时比比例为0.24时写入的波导长度要长12.2%,其中锥形波导部分要长19.2%。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

基于紧致差分格式的高效时域有限差分算法

探讨一种基于紧致差分格式的高效时域有限差分算法(high-order compact-FDTD),该方法不仅提高计算精度,而且网格结点少、内存使用率和CPU时间大为降低.利用紧致格式FDTD方法实现无耗波导系统及光子晶体光纤中电磁波传播的数值模拟.通过计算实例验证算法的高效性.     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式,算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法,使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先,证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后,用/t代替jω,过渡到时域,再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,给出离散时域本构关系的表示式,进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后,计算了几种色散介质的电磁散射,数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

Analysis of femtosecond optical pulse propagation in one-dimensional nonlinear photonic crystals using finite-difference time-domain method

In this paper, we have used the finite-difference time-domain (FDTD) method to analyze the optical pulse propagation in a nonlinear, one-dimensional photonic crystal (1DPC). Hyperbolic secant pulses with various carrier wavelengths are utilized in this study. In a nonlinear regime, a 1DPC introduces a photonic band-gap whose central wavelength and width depend on the input pulse intensity. In the present work, three different cases are considered. These correspond to the carrier wavelengths of the incident pulses being out of, near to, and partially in the band-gap. For each case, the effect of nonlinearity on pulse propagation is investigated. Also, we have analyzed the two-frequency regime, in which each of the two pulses has a different carrier frequency (wavelength). This kind of study can be done directly with FDTD without any further computational burden but it is somewhat complicated using nonlinear coupled-mode equations (NLCME) and nonlinear Schrödinger equation (NLSE), which require separate treatments for each carrier wavelength.     

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通过增加外磁场来调控等离子体光子晶体的光子带隙结构,采用时域有限差分算法分析了由本征层为磁化等离子体层和其他电介质材料层交替堆叠而成的磁化等离子体光子晶体的光子带隙结构,数值模拟中采用完全匹配层吸收边界条件以防止边界的反射。由于外磁场的法拉第磁光效应,使等离子体的介电常数随着外磁场的变化而改变。数值结果表明,等离子体光子晶体的带隙特性在一定的频率范围相应地得到调节,实现了频率低于等离子体频率的电磁波也能在等离子体中传播。     

基于法拉第效应磁化等离子体光子晶体FDTD分析

通过增加外磁场来调控等离子体光子晶体的光子带隙结构,采用时域有限差分算法分析了由本征层为磁化等离子体层和其他电介质材料层交替堆叠而成的磁化等离子体光子晶体的光子带隙结构,数值模拟中采用完全匹配层吸收边界条件以防止边界的反射。由于外磁场的法拉第磁光效应,使等离子体的介电常数随着外磁场的变化而改变。数值结果表明,等离子体光子晶体的带隙特性在一定的频率范围相应地得到调节,实现了频率低于等离子体频率的电磁波也能在等离子体中传播。     

Full-wave parallel dispersive finite-difference time-domain modeling of three-dimensional electromagnetic cloaking structures

A parallel dispersive finite-difference time-domain (FDTD) method for the modeling of three-dimensional (3-D) electromagnetic cloaking structures is presented in this paper. The permittivity and permeability of the cloak are mapped to the Drude dispersion model and taken into account in FDTD simulations using an auxiliary differential equation (ADE) method. It is shown that the correction of numerical material parameters and the slow switching-on of source are necessary to ensure stable and convergent single-frequency simulations. Numerical results from wideband simulations demonstrate that waves passing through a three-dimensional cloak experience considerable delay comparing with the free space propagations, as well as pulse broadening and blue-shift effects.     

Optical simulation of in-plane-switching blue phase liquid crystal display using the finite-difference time-domain method

The finite-difference time-domain method is used to simulate the optical characteristics of an in-plane switching blue phase liquid crystal display.Compared with the matrix optic methods and the refractive method,the finite-difference timedomain method,which is used to directly solve Maxwell's equations,can consider the lateral variation of the refractive index and obtain an accurate convergence effect.The simulation results show that e-rays and o-rays bend in different directions when the in-plane switching blue phase liquid crystal display is driven by the operating voltage.The finitedifference time-domain method should be used when the distribution of the liquid crystal in the liquid crystal display has a large lateral change.     

Investigation of three-pulse photon echo in thick crystal using finite-difference time-domain method

This paper investigates the phenomenon of three-pulse photon echo in thick rare-earth ions doped crystal whose thickness is far larger than 0.002 cm which is adopted in previous works.The influence of thickness on the three-pulse photon echo's amplitude and efficiency is analyzed with the Maxwell-Bloch equations solved by finite-difference timedomain method.We demonstrate that the amplitude of three-pulse echo will increase with the increasing of thickness and the optimum thickness to generate three-pulse photon echo is 0.3 cm for Tm~(3+):YAG when the attenuation of the input pulse is taken into account.Meanwhile,we find the expression 0.09 exp(α'L),which is previously employed to describe the relationship between echo's efficiency and thickness,should be modified as 1.3 · 0.09 exp(2.4 ·α'L) with the propagation of echo considered.     

利用时域有限差分法模拟金纳米球及球壳的光学特性

利用时域有限差分方法研究了金纳米球、金纳米球壳及多层球壳的消光特性及电场分布.结果表明:金纳米颗粒的几何参量对消光峰的位置有显著影响.随着SiO2核心半径的增大,金纳米壳的消光峰显著红移.随着金核心半径的增大,gold-silica-gold多层球壳消光谱的低能峰显著红移,而高能峰微弱蓝移.     

用时域有限差分法实现金属支撑杆的计算机模拟

在三维Yee网格模型以及蛙跳模型的基础上建立了支撑杆的数学模型，推导了支撑杆在三维直角坐标系下的电流及单位长度上电感的计算公式.讨论了二维、三维空间网格上不同支撑杆取向及不同坐标系下的实现方法，同时也给出了支撑杆在时域有限差分主迭代循环中的子迭代方法.以磁绝缘线振荡器为例，从其粒子运动及输出功率方面验证了模拟的正确性. 关键词： 粒子模拟 Yee网格 时域有限差分 支撑杆