时域有限差分法在超声波声场特性分析中的应用
一种利用有限差分来正演模拟声波波形的方法
一种利用有限差分来正演模拟声波波形的方法
王晓飞;刘海涅
【期刊名称】《科技风》
【年(卷),期】2012(000)022
【摘要】声波波形对于研究并旁地层的情况有着非常重要的意义.有限差分是常用的正演方法.本文利用有限差分的方法对软地层和硬地层的不同模型进行计算,并对结果进行了分析.
【总页数】3页(P42-44)
【作者】王晓飞;刘海涅
【作者单位】中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京市101149;中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京市101149
【正文语种】中文
【相关文献】
1.利用哈特莱变换进行井间声波波场正演模拟 [J], 刘迎曦;张霖斌
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5.基于三维有限差分方法的三分量\r感应测井正演模拟 [J], 郭晨;陈晓亮;卢圣鹏
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时域有限差分法分析混晌室中场的均匀性
时域有限差分法分析混晌室中场的均匀性黄华;牛中奇;白冰【摘要】针对目前仿真分析混响室内的场分布过程中计算量大、耗费时间长和对计算机配置要求高的现状,用在一定的约束条件下随机分布于球面上的一组等效源辐射的平面电磁波叠加而成的一维推进的重叠平面渡模拟搅拌器搅拌过程中混响室内的电磁波,并采用时域有限差分法(FDTD)法对基于上述模型的混响室内的场分布进行了仿真计算,得出了使混响室内场分布达到不同均匀度要求时所需的最佳重叠入射平面波的数目.结果表明:采用的方法不仅可以有效缩短混响室设计中必须首先进行仿真分析的仿真计算时间,而且可针对预设场分布的均匀度要求,有目的地设置等效源的个数和位置,从而使整个仿真过程更加集约化.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2011(026)001【总页数】9页(P124-132)【关键词】混响室;时域有限差分法(FDTD);重叠平面波;场均匀性【作者】黄华;牛中奇;白冰【作者单位】西安电子科技大学电子工程学院,陕西,西安,710071;西安电子科技大学电子工程学院,陕西,西安,710071;西安电子科技大学电子工程学院,陕西,西安,710071【正文语种】中文【中图分类】TN981.引言从众多研究者的工作可知,混响室可采用多种数值方法进行仿真分析：矩量法(MOM)[1];时域有限差分法(FDTD)[2-6];有限元法(FEM)[7-8];FDTD与MOM混合法[9];FEM与FDTD混合法[10];平面波积分表示法[11];传输线矩阵法(TLM)[12]等。
在经典的仿真分析中,建立的混响室模型一般由混响室的内部空间、搅拌器及天线三部分组成[13]。
图1所示即为混响室测试示意图。
图1 混响室测试示意图通常,仿真计算中耗费的时间与混响室的体积、六个壁面所用导体的电导率、电磁波的频率范围以及受试设备自身的特性有关,然而这会使得计算量很大,因而十分耗时,有时要用微机实现仿真几乎是不可能的。
三维最优时域有限差分方法
三维最优时域有限差分方法
1.基本原理
2.实现步骤
（1）将原始信号进行窗函数处理，将信号分割成数个时间段。
（2）对每个时间段内的信号进行傅里叶变换，将信号变换到频域。
（3）通过计算每个时间段内信号的频率分布，得到时频分析结果。
3.应用领域
（1）语音信号处理：可以用于语音识别、语音合成等任务。
通过分析语音信号的时频特性，可以提取语音的特征，进而进行后续的处理。
（2）音乐信号处理：可以用于音乐合成、音乐分析等任务。
通过对音乐信号进行时频分析，可以提取音乐的节奏、频谱等特征，进而进行音乐合成或音乐分类等处理。
（3）图像处理：可以用于图像分析、图像增强等任务。
通过对图像进行时频分析，可以提取图像的纹理、边缘等特征，进而进行图像增强或目标识别等处理。
4.优缺点分析
（1）能够同时反映信号的时域和频域特性，有助于全面理解信号的时频特征。
（2）能够对非平稳信号进行时频分析，适用于处理实际环境中的复杂信号。
（3）算法简单，易于实现。
然而，三维最优时域有限差分方法也存在一些缺点：
（1）需要对信号进行窗函数处理，这可能引入一定的伪迹。
（2）对信号分析结果的解释可能比较主观，需要进一步的领域知识和经验。
（3）在处理长时间信号时，存在时间与频率分辨率的折衷，需要根据应用需求进行选择。
综上所述，三维最优时域有限差分方法是一种常用的信号处理技术，具有广泛的应用领域。
它能够同时反映信号的时域和频域特性，为后续的信号处理提供了重要的依据。
然而，该方法在处理过程中也存在一定的局限性，需要根据具体的应用需求进行选择与优化。
时域有限差分法关键技术及其应用研究
时域有限差分法关键技术及其应用研究时域有限差分法关键技术及其应用研究1. 引言时域有限差分法（Finite Difference Time Domain, FDTD）是一种常见的数值电磁计算方法，被广泛应用于电磁场的数值模拟和分析。
本文将介绍FDTD方法的基本原理及其一些关键技术，重点探讨其在电磁场模拟、天线研究和光学器件设计等领域的应用。
2. FDTD方法基本原理FDTD方法采用时空网格来离散求解麦克斯韦方程组，通过迭代的方式计算电磁场的时变分布。
其基本原理是利用麦克斯韦方程组的时域形式，将电场和磁场的空间导数用有限差分的形式进行近似，通过时间步进来模拟电磁场的时域行为。
FDTD方法的关键是对时空网格的离散化处理。
在时域，时间和空间被离散为等间距的格点，电磁场在格点之间通过有限差分方程进行计算，从而得到电场和磁场在每个格点的数值。
通过时间步进的迭代计算，可以模拟电磁场随时间的演化过程。
3. FDTD方法的关键技术3.1 源的建立在FDTD方法中，需要设置适当的源来激发电磁场的变化。
常见的源包括点源、平面波源和边界条件处理等。
点源是在空间某一点施加突变的电场或磁场，用于模拟电磁波的辐射和传播；平面波源是在一个平面波入射，模拟平面波在介质中的传播行为；边界条件处理则是为了模拟无限大空间中的电磁波的传播。
3.2 时间步进时间步进是FDTD方法中的一个关键技术，决定了电场和磁场的更新方式。
常用的时间步进算法有显式和隐式两种。
显式时间步进是根据已知的电场和磁场的数值，通过有限差分方程计算新的电场和磁场的值；隐式时间步进则是使用迭代或矩阵求解的方法，利用已知的旧场和新场的关系求解新场。
3.3 网格约束条件FDTD方法中需要设置一些约束条件，以满足电磁场在网格边界条件下的数值计算。
常见的约束条件有吸收边界条件和周期性边界条件。
吸收边界条件是用于吸收入射电磁波的反射波，常用的吸收边界条件有Mur吸收边界条件和PML吸收边界条件；周期性边界条件是为了模拟周期性结构或周期性辐射场景，将仿真空间分割成无限个重复的周期结构。
超声声场模拟技术及其应用
超声声场模拟技术及其应用超声声场模拟技术是一种采用计算机仿真技术来模拟物体内部声场的技术。
在超声声场模拟技术中，通过数值计算来模拟物体内部所产生的声波和声音的传播，从而实现对声波传播过程的模拟和控制。
这种技术不仅拓宽了声学研究的范畴和视野，也推动了超声波医学、超声成像、超声检测等领域的发展。
超声声场模拟技术的基本原理是通过计算机对物体内部的声波场进行模拟。
当声波在物体中传播时，其传播过程受到物体的几何形状、介质属性以及传播路径等因素的影响。
利用有限元、边界元、有限差分等数值模拟方法来计算声波的传播过程，可以得到具体的声场图像。
通过对声场图像进行分析，可以实现声波传播过程的控制和优化，也可用于超声波成像、超声诊断等方面的应用。
在医疗卫生领域，超声声场模拟技术广泛应用于超声成像、超声检测、声学治疗等方面。
超声成像技术是临床医学中常用的一种诊断手段，其利用超声波在体内的传播方式与反射特性，来形成图像来对病变体进行诊断。
利用超声声场模拟技术，可以建立体内声波传播的数学模型，探究影响超声成像质量的因素，并优化传感器配置，提高成像质量和检测效果。
此外，利用声学治疗技术，利用特定的声波功率来对体内的病变体进行热疗或机械切割。
在工业工程领域，超声声场模拟技术也得以广泛应用。
例如，在噪声控制方面，通过超声声场模拟技术，可以模拟复杂的噪声源，了解噪声的传播和衰减规律，优化措施和方法来达到更好的噪声控制效果。
在材料非破坏检测领域，超声声场模拟技术也得到了广泛的应用。
利用声场模拟技术，可以在工业部件内部建立声波传导模型，探究不同的材料和微裂纹等缺陷对声波传播和接收的影响，从而探究合适的检测方法和模式，提高检测的可靠性和效率。
总之，超声声场模拟技术不仅在医疗、工业领域得到广泛应用，而且在其他行业领域也有不同等应用，其准确的数值计算模拟和对声波传播过程的优化控制，将极大地拓宽声学领域的研究范畴，推进相关工业领域的发展。
时域有限差分算法及其在多物理中的应用
初始条件设置
初始条件
在求解偏微分方程时，需要设置初始条件，以便从已知的初始状态开始计算 。
初始条件的稳定性
初始条件的稳定性对于计算结果的准确性至关重要，不稳定的初始条件可能 导致计算发散。
03
时域有限差分算法在多物理场中的应 用
流体力学
总结词
时域有限差分算法在流体力学中有着广泛 的应用，用于模拟和分析各种流体现象， 如水流、空气流等。
算法的发展历程
早期发展
01
20世纪70年代，有限差分算法被广泛应用于电磁场、流体动
力学等领域。
现代进展
02
随着计算机技术的发展，有限差分算法在处理复杂物理问题方
面得到了广泛应用。
多物理应用
03
近年来，有限差分算法被广泛应用于多物理场耦合问题的求解
。
02
时域有限差分算法实现细节
离散化方法
隐式离散化
飞机设计
时域有限差分算法可以用于模拟飞机在飞行过程中受到的电磁辐射和电磁干扰，帮助设计师更好地理 解并优化飞机的电磁性能。
航空电子系统
该算法也可用于模拟飞机上电子系统的电磁兼容性和电磁干扰，以确保电子系统的正常运行。
电子工程领域
集成电路设计
时域有限差分算法可以用于模拟芯片在高速运行时的电磁干扰和电磁辐射， 以优化其性能和稳定性。
能源工程领域
风力电
时域有限差分算法可以用于模拟风力发电机的电磁辐射和电 磁干扰，以优化其性能和稳定性。
太阳能发电
该算法也可用于分析和优化太阳能电池板的性能，以提高其 转换效率。
THANKS
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无线通信
该算法也可用于分析和优化无线通信系统的性能，例如基站和无线局域网。
时域有限差分
时域有限差分时域有限差分（FiniteDifferenceinTimeDomain，简称FDTD）是一种基于有限差分方法的数值模拟技术，用于求解电磁场的时域行为。
它在电磁学仿真建模中有着重要的作用，广泛应用于电磁屏蔽、电磁兼容、发射器设计、天线特性测试、雷达和无线通信等诸多领域。
本文将从介绍FDTD的历史背景、基本思想及特点出发，重点讨论它的基本框架及其基本算法，并以此来深入剖析它的优势及应用场景，以期激发更多的研究者更好的应用FDTD去解决实际的问题。
一、FDTD的历史背景时域有限差分法始于20世纪50年代，其有名的开创者是美国科学家Yee在1966年提出的。
至此，它比传统时域分析方法（如横波模型）具有更强的计算能力，有利于模拟电磁场以及其他物理场。
经过Yee的提出，FDTD的理论基础也在不断的完善，其在电磁仿真领域的应用也更加普及，它的算法也得到了不断的改进和优化，有利于优化电磁仿真技术，并使它更容易被应用在电磁学仿真中。
二、FDTD基本思想及特点时域有限差分法基于有限差分法，用于求解电磁场的时域行为。
它采用基于欧拉方程（Maxwell-Faraday）的电磁场表示，将欧拉方程空间和时间解分，从而简化时域求解中的计算工作。
在做时域积分的时候，它采用的是一种求近似解的方法。
根据反文本定理，这种求近似解的方法能够准确地表示电磁场的时变行为，从而正确地描述电磁场在空间和时间上的变化规律。
在求解电磁场的时候，它把分析的小单元划分成不同的网格，每个网格为一个小空间，把大量的电磁场计算转换成了大量的有限差分的计算，从而极大地简化了电磁场的模拟，节约了计算时间。
另外，FDTD还具有计算简单、模拟效率高、模拟准确等优点，因此在电磁学仿真中非常受到重视。
三、FDTD的基本框架及其基本算法FDTD的基本框架由应变和电场两个部分构成，两个部分相互协作，用来计算空间上电磁场的变化过程，以及对应的时间变化过程。
其基本算法由三个步骤构成：（1）横电场更新，先从欧拉方程计算横电场；（2）纵电场更新，再从欧拉方程计算纵电场；（3）应变更新，最后从欧拉方程计算应变。
利用时域差分法对薄膜体声波谐振进行二维分析(英文)
利用时域差分法对薄膜体声波谐振进行二维分析(英文)曹明;于小利;罗中涌;公勋;章德【期刊名称】《南京大学学报：自然科学版》【年(卷),期】2013()1【摘要】和表面波器件相比,薄膜体声波谐振(FBAR)器件重量轻、尺寸小、成本低而且能够处理的功率大.因此,FBAR技术被认为是能够满足现代移动通信系统滤波要求的最有竞争力的技术.对FBAR器件进行模拟的方案中,Butterworth-van Dyke(BVD)模型被广泛应用,但是它不可能被用于分析FBAR的复杂结构.为了准确模拟FBAR器件,必须用到数值方法,如有限元法(FEM)或者时域有限差分(FDTD)法.本文中,FDTD法被用于对薄膜体声波谐振进行二维分析.压电方程和牛顿方程在时间域和空间域中通过中间有限差分进行离散化.完全匹配层(PML)边界条件被用于实现两侧的吸收边界.在空气-铝和空气-氮化铝界面上,自由边界条件在FDTD方案中得以实现.另外,在铝-氮化铝内部边界附近,通过对材料常数取两侧的平均值的方式,实现了连续边界条件,保证了数值计算的稳定性.一款静电场模拟软件ANSOFT Maxwell 2D被用于计算电场强度的分布.当FBAR被外加电压驱动,而电压为时间的正弦函数时,FBAR的输出电流可以表示为一系列正弦函数之和.这些正弦函数中包含了顺态解和稳态解.找出稳态解,就可以计算响应工作频率时的FBAR阻抗特性.文中给出了在不同电极厚度如0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm和0.6μm情况下阻抗特性的计算结果.由于能陷效应,基频谐振强度随着电极厚度从0.2μm增加到0.4μm逐渐增强.可是,当电极厚度增加到0.5μm谐振强度又开始减弱.这个现象可以归因于电极的质量负载效应.质量负载会降低谐振强度.通过模拟结果,当氮化铝膜厚度在3μm时,最佳电极厚度应该在0.4μm.我们利用FDTD法对FBAR进行了二维分析.模拟结果显示,FDTD法是分析各种FBAR结构的有力工具.【总页数】6页(P40-45)【关键词】薄膜体波谐振器;时域有限差分法;完全匹配层【作者】曹明;于小利;罗中涌;公勋;章德【作者单位】近代声学教育部重点实验室,南京大学声学所,南京大学物理学院声科学与工程系【正文语种】中文【中图分类】O484.1【相关文献】1.以四面体非晶碳为布拉格反射栅高声阻抗材料的固贴式薄膜体声波谐振器性能仿真分析 [J], 陆晓欣;朱嘉琦;王赛;刘罡;刘远鹏;袁欣薇;霍施宇2.薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振特性的模拟分析 [J], 汤亮;郝震宏;乔东海3.薄膜体声波谐振器（FBAR）谐振特性的模拟分析 [J], 汤亮;郝震宏;乔东海4.缓冲层和外部电阻抗对薄膜体声波谐振器频率特性的影响(英文) [J], 李瑛娟;马吉;米亚;陈清明5.AlN薄膜体声波谐振器的二维数值模拟 [J], 于小利;罗中涌;曹明;公勋;章德因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。