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IJMSD | 青岛大学王发杰副教授:基于无网格局部基本解法的三维复杂结构声学边界条件反演

已有 836 次阅读 2023-8-23 11:30 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

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图 文 导 读

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Distributions of sound pressure and numerical error inside the car cavity: (A) analytical solution, (B) LMFS results, and (C) absolute error. LMFS, localized method of fundamental solutions

声学反问题是物理力学中的一个重要研究领域,被广泛应用于声呐、医学成像、材料的无损探伤等领域。声学正问题是根据已知的声源或声场边界信息求解结构内部声场分布,反问题则是由声场或边界的部分信息确定未知边界信息、声源位置或声传播介质参数等。声学反问题不同于正问题,测量数据的某种微小扰动可能会导致反演结果的极大误差。传统方法仍面临数值不稳定、复杂结构网格划分、数值积分困难等问题,因此发展高效、稳定的新型数值算法用于复杂结构声学反演势在必行。

青岛大学王发杰副教授团队在《国际机械系统动力学学报(英文)》(International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD)发表“基于无网格局部基本解法的三维复杂结构声学边界条件反演”研究论文。该文基于近年来提出的新型半解析无网格方法——局部基本解法,建立了一种简单、精确、高效的无网格数值模型,用于三维复杂结构声学边界条件的反演分析。局部基本解法具有数学形式简单、计算精度高、占用内存少等优势。它与传统方法不同,所形成的稀疏线性系统避免了病态问题,可采用常规解法进行求解。该算法的有效性和精确度经过含有高水平噪声的复杂结构数值试验得到了验证。该研究为复杂结构的声学反演提供了一种新的、简单高效的数值方法。

This paper proposes a semi-analytical and local meshless collocation method, the localized method of fundamental solutions (LMFS), to address three-dimensional (3D) acoustic inverse problems in complex domains. The proposed approach is a recently developed numerical scheme with potential of being mathematically simple, numerically accurate, and requiring less computational time and storage. In LMFS, an overdetermined sparse linear system is constructed by using the known data at the nodes on the accessible boundary and by making the remaining nodes satisfy the governing equation. In the numerical procedure, the pseudoinverse of a matrix is solved via the truncated singular value decomposition, and thus the regularization techniques are not needed in solving the resulting linear system with well-conditioned matrix. Numerical experiments, involving complicated geometry and high noise level, confirm the effectiveness and performance of LMFS for solving 3D acoustic inverse problems.

Keywords:

acoustic inverse problems, localized method of fundamental solutions (LMFS), 3D Helmholtz equation, meshless method, inverse Cauchy problem

DOI: 10.1002/msd2.12031

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12031

Cite this article: Chen Z, Wang F, Cheng S, Wu G. Localized MFS for three-dimensional acoustic inverse problems on complicated domains. Int J Mech Syst Dyn. 2022;2(1):143-152.


该文亮点:

  1. 建立了基于局部基本解法的无网格数值模型,用于三维复杂结构声学边界条件的反演分析;

  2. 该模型形成的稀疏线性系统相较于传统方法避免了病态问题,且易于进行大规模复杂结构求解;

  3. 通过含高水平噪声的复杂结构数值试验证明了提出算法的有效性和精确度。


Highlights:
  1. A semi-analytical and local meshless collocation method, the localized method of fundamental solutions (LMFS), is proposed to address 3D acoustic inverse problems in complex domains.

  2. Compared with traditional methods, the sparse linear system formed by this scheme avoids ill-posed problems, and it can readily simulate large-scale structures.

  3. Numerical experiments, involving complicated geometry and high noise level, confirm the effectiveness and performance of LMFS for solving 3D acoustic inverse problems.


作 者 简 介

陈增涛.jpg陈增涛 青岛大学机电工程学院硕士研究生,主要从事汽车噪声、振动与声振粗糙度(NVH)性能的CAE仿真与分析,振动与噪声控制方面的研究工作。



王发杰.jpg王发杰 青岛大学机电工程学院副教授,硕士生导师,担任青岛市力学学会监事长。主要从事计算力学、工程仿真、高性能计算软件平台开发等方面的研究工作,涉及领域包括复杂介质传热传质、振动噪声控制、断裂力学分析等。近年来发表学术论文70余篇(其中第一/通讯作者50余篇),多篇论文入选ESI高被引论文,论文总被引1 000余次(Google scholar数据),H指数20。主持国家自然科学基金1项、省部级项目2项、企业横向课题3项,获德国DAAD-K.C.Wong Fellowships,获批计算机软件著作权3项。


程隋福.jpg程隋福 青岛大学机电工程学院硕士研究生,主要从事声学灵敏度分析和结构优化设计研究。


吴国正.jpg吴国正 青岛大学机电工程学院硕士研究生,主要从事深度学习、神经网络在力学仿真中的应用研究。


期 刊 简 介

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IJMSD由来自18个国家的20位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士,3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士,国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准,为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学,所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构,还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

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