矩形单元声场波函数构造及其应用*

在波叠加法中,结构外部声场是在离散边界上对Green函数进行积分并叠加得到,但数值积分的计算效率较低。而等效源法虽然提高了计算效率,但其面源简化为点源的过程中存在较大的积分近似误差。针对上述两种方法的缺陷,构造了一种波函数以替代离散单元关于Green函数积分的声场。首先,利用球坐标系下Helmholtz方程的解,推导了替代矩形单元积分的一般形式波函数及效率更高的内推波函数。其次,当离散单元为正方形时,将其近似成圆形域,进一步简化了内推波函数的表达式。最后,将所构造的波函数应用于声场计算。数值结果表明,在计算单个矩形单元外部辐射声场时,构造的波函数不仅保证了计算精度,而且相比于直接积分大幅度提高了计算效率。其中,矩形域一般形式和内推形式的波函数计算效率是直接积分的5～6倍,圆形域内推波函数计算效率达到了直接积分的12～13倍。在简支板声源和立方箱体辐射声源数值算例中,圆形域内推波函数在整个计算频段的声场计算精度均高于等效源法。     

三维声场边界元法几乎奇异积分问题分析

以三维声场问题为例,提出一种准确计算高阶单元几乎奇异积分的半解析算法.首先分析高阶单元几何特征,构造近似几何量,然后应用扣除法,将奇异积分核函数分解为规则核函数与近似几何量表达的奇异核函数.规则核函数积分采用常规Gauss数值积分计算,奇异核函数积分采用半解析算法计算.给出三维声场内问题和外问题经典算例,计算了近边界点的声压,结果证明本文半解析算法的有效性和准确性.     

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     

PO-TDIE混合方法在天线电磁兼容问题中的应用

应用物理光学-时域积分方程(PO-TDIE)混合方法对电大尺寸平台天线电磁兼容问题进行分析.详细推导PO-TDIE混合方法的一般表达式,并给出计算复杂度.数值算例表明,方法提高了传统时间递推方法(MOT)的计算效率,能够有效应用于电磁兼容分析中.     

时间反转方法用于高强度聚焦超声的焦点偏移补偿

传统的高强度聚焦超声(HIFU)治疗中实际焦点和预设焦点容易出现偏移,为考察时间反转方法对HIFU治疗中焦点偏移的补偿效果,采用时域有限差分方法求解Westervelt方程,建立高强度聚焦声场数值模型。数值计算得到在人体软组织中进行HIFU治疗时,采用时间反转方法后焦点偏移距离最大仅为1.6 mm。脂肪层厚度及声源强度改变对时间反转聚焦精度影响不大,F数(焦点距离同换能器孔径的比值)降低时,焦点偏移减小。研究表明在人体软组织吸收系数和非线性系数范围内,时间反转方法可有效补偿焦点偏移,达到更好的聚焦效果。      

基于声粒子分布积分的无网格声场计算方法

小尺度封闭空间内部声场的数值计算是声学设计、噪声控制等领域的关键技术。由于波动声学及几何声学方法计算频率上的限制,中频段声场计算问题一直是个难点。本文以声学无网格法为基础,提出了一种基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法。文中利用声线跟踪理论计算声场中的声粒子分布,并以某个时间点上的声粒子作为蒙特卡罗法中的积分点,将其应用于无网格法中,从而获得声场中的节点声压。利用该方法对一个矩形封闭空间的中低频声场进行了计算,并与模态叠加法、商用声场计算软件、经典无网格法的结果进行了对比,证明基于声粒子分布积分的无网格声场数值计算方法在中低频段相较于传统基于网格的方法具有更高的精度。     

不规则区域热传导问题无网格Petrov-Galerkin方法的数值模拟

无网格Petrov-Galerkin(MLPG)方法是一种真正的无网格方法,它利用节点计算待求量的插值函数,并利用高斯型求积公式在局部子域内进行数值积分.本文提出了一种有效的用于不规则区域的高斯型数值积分实施方法,通过数值研究表明:该方法能很好地处理不规则区域积分,其计算结果与基准解和FLUENT的计算结果吻合很好.     

并行时域电场积分方程方法在动态海面二维电磁散射中的应用

采用并行时域电场积分方程方法对动态海面的二维瞬态散射特性进行研究。为了保证该方法的后期稳定性,时间基函数和空间基函数采用二阶B样条基函数和三角基函数,矩阵元素采用时间维度精确解析、空间奇异部分精确解析进行计算;为了减少对无限海面进行截断带来的边缘效应,入射波采用锥形调制高斯脉冲;结合信息传递接口(MPI)技术和稀疏矩阵压缩存储技术,对不同时刻的海面进行瞬态散射分析。大量的数值算例证明了该方法在计算动态海面的二维瞬态散射问题时的正确性,还可以保证后期的稳定性,提高计算效率,减少对计算机内存需求。     

快速泡泡布点方法

泡泡布点算法能够在复杂区域上不经过人工干预生成高质量的节点集,为提高其计算效率,本文对泡泡布点法做三方面修正:①让泡泡运动的粘性系数c随时间的推移逐渐增大以加速收敛,每轮模拟结束后需增删泡泡时再给c赋一个较小的值以确保泡泡分布的质量;②求解控制泡泡运动的常微分方程组时选用时间复杂度较小的数值算法.算例表明数值方法精度在一定程度上的降低对节点质量的影响不大,能有效的节约计算时间;③取消对泡泡交叠率的排序,通过设置阈值控制泡泡的增删.算例表明以上方案节约运行时间40%以上,所布置节点对应的Delaunay三角单元网格平均质量高于0.9.该快速算法高效且能够生成高质量的节点集.     

海洋—声学耦合过程不确定性快速预报

针对海洋声速空间非均匀和时变条件下的声场不确定性快速预报问题,根据海洋-声学耦合模式预报声速场时空变化过程,获取声速垂直结构不确定性分布规律,提出经验正交函数-随机多项式展开方法,以降低不确定参数维度,得到声场不确定性分布.数值计算表明该方法在保证同等精度的同时可大幅减少计算量,相比常规随机多项式展开方法计算效率可提高2个数量级,且计算量不随声速剖面复杂程度变化而改变.经海上实验验证,结果表明该方法可实现环境不确定性条件下的声场及其不确定性的快速预报。      

空气中快速运动声源水下声场的波数积分模型

本文采用二维波数积分，对空气中高速运动声源激发的水下声场进行建模。针对二维波数积分计算声场时域解计算量大的问题，提出一种快速计算方法。用本文提出的方法，对深海和浅海情况下，空气中高速运动单频点声源激发的水下声场进行了计算和仿真。计算结果表明：在深海，水下接收信号的幅度和瞬时频率随时间发生变化；接收器深度、接收器与声源运动轨迹的最小距离对接收信号的变化快慢有较大影响，而声源高度的影响较小；在浅海中，接收信号呈现快速的幅度起伏，明显的多普勒频移和大的频率展宽效应。与简正波方法相比，本文方法主要适用于近场计算，而简正波方法适用于远场。另外，当声源频率较高时，二维波数积分方法的计算量将迅速增大。     

变饱和渗流数值模拟的有限元方法

本文研究时间相关变饱和渗流数值模拟的有限单元法,提出了两种计算系数矩阵的简便方法(影响系数法)。新算法避免了大量的数值积分,极大地减少了数值计算量。两个典型的物理模型被用来检验和阐明本文方法的计算特性。     

二维多流体域耦合声场的光滑有限元解法

针对声学有限元分析中四节点等参单元计算精度低,对网格质量敏感的问题,将光滑有限元法引入到多流体域耦合声场的数值分析中,提出了二维多流体域耦合声场的光滑有限元解法。该方法在Helmholtz控制方程与多流体域耦合界面的声压/质点法向速度连续条件的基础上,得到二维多流体耦合声场的离散控制方程,并采用光滑有限元的分区光滑技术将声学梯度矩阵形函数导数的域内积分转换形函数的域边界积分,避免了雅克比矩阵的计算。以管道二维多流体域耦合内声场为数值分析算例,研究结果表明,与标准有限元相比,对单元尺寸较大或扭曲严重的四边形网格模型,光滑有限元的计算精度更高。因此光滑有限元能很好地应用于大尺寸单元或扭曲严重的网格模型下二维多流体域耦合声场的预测,具有良好的工程应用前景。      

一种改进的无单元伽辽金方法

使用单位分解积分,对传统的无单元伽辽金方法进行改进.有限覆盖和单位分解是单位分解积分的数学基础,对单位分解积分进行了严格证明,并指出使用Shepard函数作为单位分解函数是一个很好的选择.数值实例表明,使用单位分解积分进行数值求积的无单元伽辽金方法是一种真正的无网格方法,与经典的背景网格积分相比具有更高的精度.     

局部时间步长间断有限元方法求解三维欧拉方程

使用间断有限元方法求解三维流体力学方程.空间剖分采用非结构四面体网格,为了克服显格式在单元网格尺寸差别较大时计算效率低下的问题,在格式中采用局部时间步长技术(LTS),即控制方程在空间、时间上积分得到一种单步格式,既可以局部计算每个单元又避免了Runge-Kutta高精度格式处理三维问题时存储量过大的问题.为了提高流体力学方程计算精度,在计算单元边界的数值流通量时使用任意高阶精度方法(ADER).数值算例表明格式稳定有效.     

格林函数解卷积处理的阵不变量浅海无源定位

水下声源无源定位是声呐技术重要的研究方向.针对水下声源无源定位问题,本文提出了一种基于格林函数解卷积处理的阵不变量无源定位方法.该方法使用盲解卷积算法从水平阵接收信号中提取时域格林函数,然后采用空域解卷积方法处理得到的时域格林函数,获得波束时间偏移,从波束时间偏移中计算得到阵不变量,解算目标距离,从而实现声源定位.区别...     

一种可稳定计算Pekeris波导中声场的波数积分方法

提出一种可稳定计算Pekeris波导中声场的波数积分方法,并在此基础上开发出一个数值模型,可用于提供Pekeris波导中声场的精确、稳定的数值解。在这个方法中,由于与深度有关的波动方程齐次解中所有的上行波与下行波均采用了合理的归一化表示,从而得到的系统方程是无条件稳定的。在简正波方法中,割线积分一般只对近场有显著影响。因此,传统的简正波模型一般都忽略割线积分对声场的贡献。但是,如果某号简正波离割线非常近,则割线积分对非常远距离的声场仍可能有显著影响。在这种情况下,传统的简正波模型由于忽略割线积分的贡献,从而得到的声场结果是不准确的。本文通过数值算例比较本文提出的波数积分模型与传统的简正波模型。数值结果表明,本文提出的模型可以提供精确、稳定的Pekeris波导中声场的数值解,而在某些情况下传统的简正波模型得到的声场结果是不准确的。因此,本文提出的模型可以作为Pekeris波导中声传播问题的标准模型使用。      

基于自适应单元细分法的高效高精度近奇异域积分计算

本文针对边界元法在计算薄型结构力学、裂纹扩展等物理问题时存在的积分难题,提出一种基于自适应单元细分法的高效高精度近奇异域积分计算方法,该方法基于二叉树数据结构的单元细分技术对体单元进行自适应细分,消除单元几何形状所引起的近奇异性,能直接用于计算连续核函数的近奇异域积分。针对间断核函数的近奇异域积分,在细分单元的基础上采用腔面重建算法和投影算法,重新构建源点附近的积分子单元。数值算例表明：本方法可采用较少的积分点得到准确结果,是处理近奇异域积分的一种有效方法。     

小阻尼界面房间声传输函数和声脉冲响应函数的有限元素法

有限元法可用于以声波动方程为基础通过数值计算求解室内声场,适用于分析界面阻抗非均匀分布和复杂形状房间内声场的低频特性。本文首先介绍了小阻尼界面条件下室内声场简正方式、声衰变系数、混响时间的ＦＥＭ计算方法。在此基础上导出了房间内两点之间声传输函数和声脉冲响应函数的ＦＥＭ计算模型,并以矩形房间为例详细讨论了有关细节。本文所讨论的计算模型可以映房间内不同的声源点,接收点位置上的声压频谱特性和脉冲响应的时     

全局稳定性一致的共形卷积完全匹配层

在正交网格体系中建立物理模型共形描述的基础上,针对采用扩展元胞技术的共形时域有限差分(ECT-CFDTD)方法模拟计算波导器件遇到的开放端口截断问题,给出了积分形式的共形卷积完全匹配层方法,算法具有与ECT-CFDTD相同的数值稳定性。设置不同的完全匹配层的控制参数,对波导中有消逝波存在的情况进行长时间模拟计算,分析共形卷积完全匹配层对消逝波的长效截断能力,分析卷积完全匹配层的截断误差。计算结果显示:积分形式的共形卷积完全匹配层可有效截断波导器件的开放端口。