声学PML方法理论1
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pml边界条件表达式标题:PML边界条件表达式的应用实例引言:在计算物理领域中,PML(Perfectly Matched Layer)边界条件表达式是一种用于模拟波动现象的重要工具。
它能够有效地吸收入射波并减少反射,从而更准确地模拟真实环境中的物理现象。
本文将通过一个实例来详细介绍PML边界条件表达式的应用。
1. 实例背景假设我们需要研究声波在水中的传播过程,并对其进行数值模拟。
为了尽可能准确地模拟真实的水中声波传播,我们需要考虑水体边界的影响。
这时,PML边界条件表达式就能派上用场了。
2. PML边界条件表达式的原理PML边界条件表达式是一种人工引入的吸收层,通过改变模拟区域的边界条件来模拟波的衰减。
其核心思想是在边界处引入一个复杂的阻尼层,使入射波能够被吸收而不产生反射。
3. PML边界条件表达式的数学形式PML边界条件表达式的具体形式较为复杂,但我们可以简要介绍一下其基本形式。
在二维情况下,PML边界条件表达式可以写为:Ex = Ex * exp(-σm*dt)Ey = Ey * exp(-σm*dt)其中,Ex和Ey分别表示电场在x和y方向的分量,σm为阻尼因子,dt为时间步长。
4. PML边界条件在声波传播模拟中的应用在声波传播模拟中,我们可以通过将PML边界条件表达式应用于模拟区域的边界来减少声波的反射。
通过调整阻尼因子和时间步长,我们可以控制声波在边界处的衰减程度,使其更贴近真实情况。
5. 结论PML边界条件表达式是一种有效的数值模拟工具,能够减少波动现象模拟中的反射,并提高模拟结果的准确性。
在声波传播模拟等领域中,PML边界条件表达式的应用具有重要的意义。
通过合理调整参数,我们能够更好地模拟真实环境中的物理现象。
总结:通过以上实例,我们详细介绍了PML边界条件表达式在声波传播模拟中的应用。
通过引入复杂的阻尼层,PML边界条件能够有效地吸收入射波并减少反射,提高模拟结果的准确性。
TTI介质声波方程分裂式PML吸收边界条件研究张衡;刘洪;李博;丁仁伟;李丽青;李福元【摘要】We study split perfectly matched layer (SPML) absorbing boundary conditions for TTI media based on the characteristics of TTI media acoustic wave equation.We firstly summarize several common TTI media acoustic wave equations and compare these wave equations in detail from the perspective of wavefield propagation stability for TTI media.We conclude that the TTI acoustic approximation equation introduced SV-wave component is applicable for TTI media.Then we derive the TTI media first-order acoustic wave equation based on the SPML boundary condition from the TTI P-wave and SV-wave coupled second-order wave equation.Afterwards we give the concrete implementation method for high-order staggered-grid finite-difference algorithm.The numerical modeling examples show that the SPML boundary condition can absorb the artificial boundary reflection very well.The boundary reflection absorbing effect of the proposed SPML algorithm is much better compared with the optimal sponge boundary condition.%针对倾斜横向各向同性(TTI)介质声波波动方程的特点,研究了TTI介质分裂式完全匹配层(Split perfectly matched layer,SPML)吸收边界条件.首先对常见的几种TTI介质声波波动方程进行了归纳,并从TTI介质波场传播稳定性的角度进行对比分析,结果表明,引入横波分量的TTI介质纵横波耦合方程适用于TTI介质.然后从TTI介质纵横波耦合二阶波动方程出发,推导得到其一阶波动方程的形式,进而推导出一阶波动方程形式的SPML波动方程,并给出了高阶交错网格有限差分算法的具体实现过程.数值模拟结果表明,SPML吸收边界条件能达到很好的人工边界反射吸收效果,相比优化海绵吸收边界条件,其人工边界反射吸收效果更好.【期刊名称】《石油物探》【年(卷),期】2017(056)003【总页数】13页(P349-361)【关键词】TTI介质;分裂式完全匹配层;纵横波耦合方程;一阶波动方程;高阶交错网格有限差分【作者】张衡;刘洪;李博;丁仁伟;李丽青;李福元【作者单位】国土资源部海底矿产资源重点实验室,中国地质调查局广州海洋地质调查局,广东广州510075;中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院油气资源研究重点实验室,北京100029;中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103;山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛266590;国土资源部海底矿产资源重点实验室,中国地质调查局广州海洋地质调查局,广东广州510075;国土资源部海底矿产资源重点实验室,中国地质调查局广州海洋地质调查局,广东广州510075【正文语种】中文【中图分类】P631Keywords:TTI media,split perfectly matched layer,P-wave and SV-wave coupled equation,first-order wave equation,high-order staggered-grid finite-difference各向异性正演数值模拟是各向异性逆时偏移和各向异性全波形反演的基础[1]。
声波方程逆时偏移中的无分裂PML吸收边界条件王鹏飞;何兵寿【摘要】逆时偏移是当前地震资料处理的前沿技术,吸收边界条件是逆时偏移技术的重要组成部分.目前,业界常用的基于波场分裂思路的完全匹配层PML(Perfectly Matched Layer)吸收边界条件在改善边界吸收效果和改进偏移成像质量方面发挥了巨大作用,但这种方法需要在边界处为分裂后的各个分量开辟额外的内存空间,且需要分边角处理,增加了逆时偏移技术的内存负担和计算开销.为了减少内存负担和提高计算效率,首先从双程声波方程出发,推导了声波方程的无分裂PML吸收边界条件,然后给出该边界条件下波动方程逆时延拓的数值实现过程.理论分析和模型实验结果得到:无分裂PML边界条件具有与分裂算法相同的边界吸收效果,并且基于无分裂PML的逆时偏移算法效率更高,更便于程序代码的编写和GPU (GraphicProcessing Unit)的并行实现.【期刊名称】《工程地球物理学报》【年(卷),期】2015(012)005【总页数】8页(P583-590)【关键词】逆时偏移;吸收边界条件;无分裂完全匹配层;计算效率【作者】王鹏飞;何兵寿【作者单位】中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100;中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】P631.5逆时偏移是当前地震资料成像处理领域的热点技术。
目前,国内外在逆时偏移领域的研究工作主要集中在以下几个方面:①波动方程逆时延拓算法[1,2]研究,包括差分格式推导、边界伪反射压制和数值频散压制等;②成像准则和成像方法[3-8]研究;③逆时偏移噪声压制方法[9-14]研究,主要研究波场延拓过程中由层间反射导致的低频噪音的压制方法;④逆时偏移存储策略[15-17]研究,主要用于降低逆时偏移的临时文件存储量和硬盘访问量,拓展逆时偏移处理的并行性并提高处理效率;⑤偏移处理的并行算法[18-20]研究,包括CPU(Central Processing Unit)并行、GPU并行以及CPU+GPU协同并行。
雷克子波因计算机资源有限,不便在太大的区域做PML的计算,一般只在边界上取有限宽度的区域作为PML计算区域。
根据相关文献的研究,PML边界区域最少长度应为半个波长[6]。
本文综合考虑了效果与开销等因素,选取了边界上50层作为PML 的计算区域。
常规计算区域与PML 边界区域的如图2-4所示。
x x x x x P v a P K t xω∂∂+=∂∂ z z zz z P v a P K t z ω∂∂+=∂∂ x z x x v v P a P K t x z ω∂∂∂⎛⎫+=+ ⎪∂∂∂⎝⎭衰减系数2331log 2x z P v R L ηωωη⎛⎫== ⎪∆⎝⎭式中L 为PML 层的厚度,η为层内的点距PML 与非PML 的边界的距离,P v 为纵波速度,R 那么在PML 边界区域内,对于式(2-13)1x x x v Pv t xωρ∂∂+=∂∂即为理论反射系数,一般取0.001较为合适,η∆为η方向的空间步长。
1x x x v Pv t xωρ∂∂=-∂∂,可看作为在常规的计算方程基础上,减去一项进行PML 的阻尼修正项。
因本文中只考虑各项同性介质中的地震波传播规律,故可做x z ηωωω==假设。
在此利用一下三个假设:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-++++2121,2121,21,21k j i xk j i x kj i x v v v ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-++++21,2121,21,2121k j i zk j i zkj i zvv v ()1,1,21,21-+++=k j i k j i k j i P P P 因为以上三个近似精度均为时间方向上的近似,且时间精度均为二阶精度,因交错网格技术的时间精度为二阶,故以上近似不影响本式的计算精度。
故可得:()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-∆∆+∆-∆+=∑=-+++-+++N m k m j i k m j i m kj i k j i x k j i xP P a x t v t t v 11,,21,2121,2121,15.015.011ρωωηη(2-18a ) 同理:()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-∆∆+∆-∆+=∑=-+++-+++N m kj m i k j m i m kj i k j i zk j i z P P a z t v t t v1,1,21,21,2121,2115.015.011ρωωηη(2-18b )()⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆∆+∆-∆+=∑∑=++-+-+=++-+-+++N m k m j i z k m j i x m N m k j m i z k j m i z m k j i k j i k j i v v a x t v v a z t K P t t P 12121,2121,121,2121,2121,,1,5.015.011ηηωω(2-18c )此为在PML 边界区域内的弹性声波应力-速度方程组。
基于COMSOL的空腔声学覆盖层的斜入射吸声性能分析YE Hanfeng;TAO Meng;LI Junjie【摘要】基于平面波斜入射理论,利用有限元软件COMSOL建立了双层平板空腔声学覆盖层单元的斜入射仿真模型,并研究了斜入射条件下覆盖层结构和材料参数对其吸声性能的影响.通过与理论解的对比,验证了该仿真模型的准确性;讨论了入射角度,空腔结构,穿孔率和覆盖层厚度等参数变化对于覆盖层吸声性能的影响.结果表明:当入射角度变化时,吸声系数的峰值谷值间的频率间隔会随着入射角度的增加而增大,而且峰值和谷值也会随着入射角度的增加而增大;当穿孔率较大或者覆盖层厚度较厚时,吸声系数的峰值和谷值频率值会向低频移动,且数值也会更大.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)012【总页数】6页(P213-218)【关键词】斜入射;声学覆盖层;吸声性能【作者】YE Hanfeng;TAO Meng;LI Junjie【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TB56声学覆盖层是敷设在水下航行器外表壳,介于航行器壳体与海水之间的一种重要的声学结构[1]。
目前对于空腔声学覆盖层的研究主要有解析法、数值方法等,但是这些研究大多是聚焦于平面波垂直入射条件下覆盖层的吸声特性,并没有考虑平面波斜入射的情况。
而覆盖层所需要吸收的探测声呐信号往往并不会全部垂直入射到覆盖层表面,斜入射的情况也较为普遍,因而研究平面波斜入射条件下的覆盖层吸声特性是有其实际应用价值的。
国内外对于空腔声学覆盖层有诸多研究,有的研究分析了圆柱和椭圆柱形状的管栅结构峰谐振空腔声学覆盖层的声学特性[2]。
有的研究基于波导理论分析了在水介质中含多重细长管栅的黏弹性介质的声学特性[3-4]。
Lakhtakia等[5]通过 Fourier-Bessel 展开式和 T 矩阵理论,对于圆柱空腔弹性介质的声学性能展开了研究。
陶猛等推导出了声学覆盖层吸声性能的简化计算方法,并且计算了在不同静压下声学覆盖层的声学性能[6]。
波动方程PML(Perfectly Matched Layer)是一种用于模拟波传播的有效方法,特别适用于处理波在介质边界处的反射和折射现象。
而Matlab作为一种强大的数学建模和仿真软件,被广泛应用于波动方程的数值求解和仿真研究中。
在本文中,我将深入探讨波动方程PML在Matlab中的应用,旨在帮助您更全面地理解这一主题。
1. 波动方程的基本概念波动方程是描述波动现象的数学模型,广泛应用于声波、电磁波和地震波等领域。
其一般形式为:\[ \nabla^2 p - \dfrac{1}{c^2} \dfrac{\partial^2 p}{\partial t^2} = S \]其中,\(p\)表示波场的物理量,\(c\)为介质中的波速,\(S\)表示波源的项。
波动方程的数值求解需要考虑介质边界的影响,而PML方法正是为了处理波在边界处的吸收和反射而被提出。
2. PML方法的原理与应用PML方法是通过在模拟区域周围引入特殊的吸收层,使得波在边界处能够被有效吸收,从而减小边界效应对波场的影响。
PML方法在波动方程的数值模拟中起着至关重要的作用,能够更真实地模拟波在复杂介质中的传播过程。
在Matlab中,可以通过编写PML吸收边界条件的自定义函数,结合有限差分或有限元等数值方法,实现对波动方程PML的数值求解。
Matlab提供了丰富的数学函数和绘图工具,能够方便地实现PML方法的仿真研究。
3. Matlab中波动方程PML的实现在Matlab中,首先需要定义模拟区域的网格和介质参数,设置好波源的位置和波形类型。
通过调用自定义的PML吸收边界条件函数,将吸收层的参数和边界条件添加到波动方程的数值求解过程中。
利用Matlab的绘图功能,可以直观地展示波场在介质中的传播和反射情况。
4. 我对波动方程PML在Matlab中的理解在实际工程和科研中,波动方程PML在Matlab中的应用具有重要意义。
通过对复杂介质中波的传播行为进行数值模拟,可以更深入地理解波与介质之间的相互作用,为声波成像、地震勘探和无损检测等领域的研究提供有力支持。
算例:1.声学器件2D轴对称喇叭单元电磁-声-固耦合分析这是一个动态电磁式圆锥形扬声器模型,通常用于中低频段声音重放,电磁场模块的小信号分析计算静电力和静态的音圈阻抗,声固耦合应用模式分析喇叭振膜的振动以及声波的辐射,最外层采用完美匹配层边界条件(PML)模拟无限大空间,输出结果包括随频率变化的灵敏度曲线和阻抗特性曲线等。
模型来源: Acoustics_Module/Industrial_Models/loudspeaker_driver。
压电声学传感器压电传感器能把电信号转换成声压辐射,反过来,也能把声场压力转换成电信号。
这种换能器采用压电材料和声场应用模式,在声场-结构交界面处考虑到了结构变形对声场的加速度影响以及声场对结构的反向压力的作用。
该模型广泛应用于阵列式麦克风,超声传感器、超声探伤、无损检测、声纳、成像等。
利用COMSOL Multiphysics的拉伸耦合变量,仅需2D 的计算即可得到3D的结果数据。
模型来源: Acoustics_Module/Tutorial_Models/piezoacoustic_transducer声表面波(SAW)气体传感器特征模态分析该案例研究了SAW气体传感器的共振频率,声表面波(SAW)是能够沿着材料表面传播的波,它的振幅随材料深度按指数规律迅速衰减。
SAW器件在很多电子元件中都有广泛的应用,例如滤波器,振荡器和传感器等。
SAW由一个相互交叉的换能器构成(IDT),换能器刻蚀在压电LiNbO3 (铌酸锂) 基底上,并覆盖一层薄的聚异丁烯 (PIB)膜,当暴露在空气中时,PIB 膜选择性的吸收CH2Cl2 (二氯甲烷, DCM) ,PIB 膜的质量随之增加,从而导致特征频率向低频扩展。
模型来源:Acoustics_Module/Industrial_Models/SAW_gas_sensor。
光声传感器特征模态光声器件广泛用于检测气体化合物的浓度,它是基于器件的光共振吸收现象,气体分子的非弹性碰撞将激发能量转换为热能,样品的调制照射会引起周期性的压力变化,该压力变化可以被光声传声器检测到,其信号检测灵敏度依赖于光声器件的几何形状,利用声学器件的共振特性可以改善其灵敏度。
完全匹配层(PML)吸收边界条件的理论分析
陈彬;方大纲;陈晓明
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】1996(12)2
【摘要】本文以屏蔽微带线为例,应用谱域方法推导了时域差分(FDTD)法中所用的完全匹配层(PML)吸收边界条件的公式,并且严格证明了有关参数的选择原则.计算表明,在屏蔽微带线中,这种吸收边界条件的反射系数可以小于-80dB.本文所给出的推导方法对于平面分层介质结构是普遍适用的,因为谱域中的每一个波谱实际上都代表一个平面波.文中所给出的推导揭示了这种吸收边界条件的机理,它对于正确使用以及进一步改进这种吸收边界条件都是有意义的.
【总页数】7页(P109-115)
【关键词】FDTD法;完全匹配层;吸收边界条件;电磁波传播
【作者】陈彬;方大纲;陈晓明
【作者单位】南京理工大学;南京电子器件研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.多轴卷积完全匹配层吸收边界条件 [J], 田坤;黄建平;李振春;曹晓莉;李庆洋;路萍
2.三维间断伽辽金玻尔兹曼方法的完全匹配层吸收边界条件研究 [J], 夏博阳;邵卫东;李军
3.探地雷达数值模拟中广义完全匹配层吸收边界条件的模拟分析 [J], 杨天春;李好;张辉
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pml边界条件表达式PML边界条件,即完美匹配层(Perfectly Matched Layer)边界条件,是一种在计算电磁学模拟中广泛使用的吸收边界条件。
它通过在计算区域的截断边界处设置一种特殊的介质层,使得该层的波阻抗与相邻介质的波阻抗完全匹配,从而使得入射波能够无反射地穿过分解面进入PML层,并在其中迅速衰减,从而模拟无限大空间的情况。
一、PML边界条件的基本原理PML边界条件的基本原理是通过在FDTD(时域有限差分)区域的截断边界处引入一种特殊的介质层,该介质层的电导率和磁导率被设置为复数,并且与相邻介质的波阻抗完全匹配。
当入射波进入PML层时,由于其波阻抗与相邻介质完全匹配,因此不会发生反射。
同时,由于PML层中的电导率和磁导率具有复数特性,波在PML层中会迅速衰减,最终在PML层的最外层被完全吸收,从而实现了对无限大空间的模拟。
二、PML边界条件的数学表达式PML边界条件的数学表达式涉及到复数的电导率和磁导率的引入,以及波在PML层中的传播和衰减过程。
具体地,对于电磁波在PML层中的传播,可以通过麦克斯韦方程组进行描述。
在PML层中,电导率和磁导率被设置为复数,即:ε = ε0 * (1 + σe/jωε0),μ = μ0 * (1 + σm/jωμ0),其中,ε和μ分别表示PML层中的介电常数和磁导率,ε0和μ0分别表示真空中的介电常数和磁导率,σe 和σm分别表示电导率和磁导率的实部,ω表示电磁波的角频率,j 表示虚数单位。
通过引入复数的电导率和磁导率,麦克斯韦方程组在PML层中变为复数形式。
在PML层中,电磁波的传播和衰减过程可以通过解复数形式的麦克斯韦方程组来得到。
具体地,对于时谐电磁波,其电场和磁场在PML层中的表达式为:E(x, z, t) = E0 * exp(-jωt) * exp(-σex/2ε0) * exp(-σmz/2μ0),H(x, z, t) = H0 * exp(-jωt) * exp(-σex/2ε0) * exp(-σmz/2μ0),其中,E和H分别表示电场和磁场,E0和H0分别表示电场和磁场的振幅,x和z分别表示PML 层中的坐标。
声学基础声学基础1绪论2声波的基本性质3管道声学4声波的辐射5声波的接收与散射6室内声学声学基础第1章绪论1.1 声与噪声的概念1.2 声学发展历史131.3 声学研究范畴1.4 课程内容1.5 参考书目第1章绪论1.1 声与噪声的概念声:声音的世界:自然界中的声音, 音乐,语言,噪声波动现象,曾发生过波动说和粒子说的争论声波:在弹性媒质中传播的扰动声音:人耳可听声声源——媒质——受者物体振动——媒质传播——听觉器官或传感器产生反应一种物质波,需要媒质(光波,无线电波为电磁波)噪声的定义:生理学:不需要的声音。
(与时、人、环境、目的有关)物理学:不协调音为噪声,协调音为乐音。
噪声:频率、声强不同声波的无规则组合。
噪声:对人起作用的不愉快声。
人——声噪声对人起作用的不愉快声第1章绪论 1.1 声与噪声的概念声学(Acoustic)研究声波的产生、传播、接收和效应的科学, 关于声音的学问应用声学科学原理改造人类的物质环境1.2声学发展历史第1章绪论1.2 声学发展历史灿烂的古代声学最早的声音研究:自然声音、人类声音、语言、音乐、乐器,房间声学特性声波和水波的类比,共振、天坛古代乐器,编钟,调音乐律:三分损益法第1章绪论 1.2 声学发展历史经典声学发展史人们常将18,19世纪欧洲的声学发展称之为经典声学这里主要从经典声学对声音的产生,传播和接收三方面的研究分别来介绍18,19世纪这近200方面的研究分别来介绍世纪这近多年的历史中,这些伟大的科学家们对声音的探索和认识第1章绪论 1.2 声学发展历史声音的产生通常认为最早研究乐器声音起源的人是希腊哲学家彼得y g格拉斯Pythagoras他发现当把两根拉直的弦底部扎牢时,高音是从短的那根弦发出的第1章绪论 1.2 声学发展历史声音的产生意大利的伽利略(Galileo Galilei) 在17世纪初作了单摆及弦的研究,得到单摆的周期及弦的振动发声特性。
发现钟摆的周期与振幅无关,而只依赖于决定振动频率的悬线长度,强调了频率的重要性。
基于ANSYS Workbench的声场分析方法介绍ANSYS 18.2版本以前要在Workbench界面中进行声场分析,需额外下载声学ACT插件,并手动集成于Workbench中才能进行声学分析。
R18.2版本对此作了较大改进,声学分析模块已成为ANSYS Workbench界面中的正式模块。
本文在ANSYS Workbench19.0环境中以简易扬声器为例,介绍声场分析的一般步骤,供大家学习和参考。
1. ANSYS Workbench声学分析模块创建将扬声器及挡板几何模型文件拖入至Workbench空白区域中,出现项目A,然后从左侧Toolbox中拖动声学分析模块“Harmonic Acoustics”至项目A的“Geometry”上松开鼠标,此时出现项目B,项目B与项目A之间存在几何数据传递关系,如图1所示。
图1 声学分析模块创建2.建立完整声场分析模型导入进Workbench中的扬声器及挡板几何模型如图2所示。
在进行声学分析前,我们还需建立声学介质传播区域和无限边界区域,图3即为完整的声场分析模型。
值得注意的是,外部的边界区域选用完美匹配层(PML)方法,此方法得到的网格单元吸收声辐射能,而不进行反射,用以表征无限的声场边界。
建立声学介质传播区域和无限边界区域方法:首先进入Design Modeler,然后使用Tools 中的Enclosure功能,定义Cushion值,并选择“Merge Parts”,分别建立介质传播区域和无限边界区域。
声场分析模型建立后,双击进入“Engineering Data”,新建空气介质,输入密度和声传播速度两项参数。
图2 扬声器及挡板模型图3 完整声场分析模型3. 声场分析关键设置3.1 声传播区域设置“Harmonic Acoustics”>“Acoustics Region”,选中介质传播区域,然后在“Geometry”一栏中,点击“Apply”,设置完成后如图4所示。