当前位置:主页 > 科技论文 > 数学论文 >

声波传输问题和传输特征值问题的数值方法研究

发布时间:2018-02-16 13:13

  本文关键词: 声波传输问题 DtN算子 有限元方法 传输特征值问题 C~0内罚间断伽辽金法 出处:《重庆大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:时谐声波传输问题和传输特征值问题在实际科学和工程领域都有广泛的应用。传输特征值能用来估计散射体材料的性质,并且在逆散射理论中对于证明解的唯一性和重构有着重要的作用。本论文主要研究声波传输问题和传输特征值问题的数值方法。本文主要由两部分组成:第一部分关于声波传输问题的数值方法;第二部分关于传输特征值问题的数值方法。对于声波传输问题,最常用的处理无界区域的方法是边界积分方程方法及其与有限元方法的耦合,比如Hsiao和Xu用边界积分方程方法处理无界区域的计算(Hsiao and Xu,2011)。为了应用有限元方法求解此类问题,最常用的方法是通过引入一个包含障碍物的人工边界将无界区域分解为一个有界区域和一个无界区域。我们根据人工边界外声波满足的散射问题,分别利用傅里叶级数和边界积分算子定义了两个不同的Dirichlet-to-Neumann(DtN)算子。接着,通过在人工边界上引入DtN算子,可以将原无界传输问题转化为等价的非局部边值问题。在适当的索伯列夫空间下,证明了相应的变分问题解的存在唯一性。对于声波传输特征值问题,为了避免直接计算非自伴特征值问题,我们将原传输特征值问题转化为等价的一系列自伴的四阶特征值问题。接着,提出了用拉格朗日元的C~0内部惩罚间断伽辽金(C~0 IPG)方法去研究四阶特征值问题。由于低阶项对离散算子范数收敛性的影响,不能直接应用Babu?ka-Osborn理论证明收敛性。为了克服这个困难,根据Descloux等人在(Descloux et al,1978a)中发展起来的收敛性理论以及Antonietti等人用DG方法求Laplace特征值问题的思想(Antonietti et al,2006),我们首先证明了C~0 IPG方法是谱正确的,接着证明了其最优收敛性。而对于原传输特征值问题转化的一个等价的非自伴的四阶特征值问题,我们给出了离散四阶传输特征值问题的C0 IPG方法,并证明了C~0 IPG方法最优收敛阶。对于高阶椭圆问题,相比于经典的协调有限元方法,C0 IPG方法的数值实现更简单,因为它的基函数简单并且有更少的自由度。对于每一种提出的数值方法,我们给出一些数值例子来验证方法的有效性和准确性。
[Abstract]:The time-harmonic acoustic wave propagation problem and the propagation eigenvalue problem are widely used in practical scientific and engineering fields. The transmission eigenvalues can be used to estimate the properties of scattering materials. And in the inverse scattering theory, it plays an important role in proving the uniqueness and reconstruction of the solution. In this paper, we mainly study the numerical methods of acoustic wave transmission problem and transmission eigenvalue problem. This paper mainly consists of two parts: the first part. The numerical method of acoustic wave transmission; The second part deals with the numerical method of transmitting eigenvalue problem. For acoustic wave transmission problem, the most commonly used method to deal with the unbounded region is the boundary integral equation method and its coupling with the finite element method. For example, Hsiao and Xu use the boundary integral equation method to deal with the computation of unbounded region. The most commonly used method is to decompose the unbounded region into a bounded region and an unbounded region by introducing an artificial boundary containing an obstacle. Two different Dirichlet-to-Neumann-DtN operators are defined by using Fourier series and boundary integral operators, respectively. Then, by introducing DtN operators on artificial boundaries, The original unbounded transmission problem can be transformed into an equivalent nonlocal boundary value problem. The existence and uniqueness of the solution of the corresponding variational problem are proved in the appropriate Soberlev space. In order to avoid directly computing the non-self-adjoint eigenvalue problem, we transform the original transmission eigenvalue problem into an equivalent series of self-adjoint fourth-order eigenvalue problems. In this paper, the fourth order eigenvalue problem is studied by using the Lagrangian C0 internal penalty discontinuous Galerkin C0 IPG method. Because of the influence of low order terms on the convergence of discrete operator norm, Babu? Ka-Osborn theory proves convergence. In order to overcome this difficulty, according to the convergence theory developed by Descloux et al in Descloux et al1978a and the idea of Antonietti et al. to solve Laplace eigenvalue problem by DG method, we first prove that the C0 IPG method is spectral correct. Then we prove its optimal convergence. For an equivalent non-self-adjoint fourth-order eigenvalue problem transformed from the original transmission eigenvalue problem, we give a C0 IPG method for discrete fourth-order transmission eigenvalue problem. It is proved that the optimal convergence order of the C0 IPG method is simpler than that of the classical concordant finite element method (C0 IPG) for higher order elliptic problems. Because its basis function is simple and has less degree of freedom, we give some numerical examples to verify the validity and accuracy of the proposed numerical method.
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O241.82

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 解惠青;戴华;;多参数二次特征值问题重特征值的灵敏度分析[J];计算数学;2006年01期

2 王琳;;用Fourier Galerkin方法求解间断特征值问题[J];数学理论与应用;2006年02期

3 高瑞华;孙惠娟;;一类非线性特征值的存在性[J];河南科技;2010年16期

4 栾世霞;孙钦福;;一类二阶半正特征值问题的正解[J];应用数学学报;2011年01期

5 李国发;;一类二阶两点边值特征值问题的非平凡解[J];曲靖师范学院学报;2011年06期

6 严深海;;双特征值约束下的两类逆二次特征值问题[J];江西理工大学学报;2012年05期

7 程艺;一类离散特征值问题的反问题[J];中国科学技术大学学报;1985年04期

8 顾祝全;含谱参数高次幂的Zakharov-Shabat特征值问题的迹公式[J];数学物理学报;1991年03期

9 乔志军;WKI族的换位表示[J];科学通报;1992年08期

10 和福生;唐民英;;参数矩阵虚特征值的判别及应用[J];云南师范大学学报(自然科学版);1993年02期

相关会议论文 前5条

1 陈正宗;;使用基本解法求解特征值问题[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年

2 袁明武;陈璞;孙树立;孟昭龙;;有限元快速稀疏静力及特征值问题求解器[A];第十一届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2002年

3 李红云;沈为平;;大型结构特征值问题的混合粒度并行算法[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年

4 吴志刚;钟万勰;;最优H_∞范数及Hamiltonian微分方程边值问题特征值计算(Ⅱ)[A];第二十届中国控制会议论文集(上)[C];2001年

5 黄斌;巫文君;张海洋;;随机结构特征值递推求解方法的改进[A];随机振动理论与应用新进展——第六届全国随机振动理论与应用学术会议论文摘要集[C];2008年

相关博士学位论文 前10条

1 曾令辉;二次特征值问题向后稳定算法[D];复旦大学;2014年

2 何军;张量的谱理论和数值代数几个问题的迭代解法[D];电子科技大学;2015年

3 来鑫;一类趋化模型和一类经理期权模型的定性性质[D];哈尔滨工业大学;2015年

4 耿宏瑞;声波传输问题和传输特征值问题的数值方法研究[D];重庆大学;2016年

5 黄鑫;低秩阻尼非线性特征值问题的理论和算法[D];复旦大学;2011年

6 李庆春;矩阵相合型特征值[D];吉林大学;2007年

7 张磊;高阶系统状态反馈控制部分特征值配置[D];哈尔滨工业大学;2014年

8 王顺绪;特征值问题的并行计算[D];南京航空航天大学;2008年

9 吴春红;几类矩阵的逆特征值问题[D];厦门大学;2009年

10 魏莹;若干代数特征值反问题[D];南京航空航天大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 闫聚品;一类能量依赖于速度的特征值问题及其Bargmann约束下的可积性[D];河北工业大学;2015年

2 杨乐乐;一个三阶特征值问题及其对应的Bargmann完全可积系[D];河北工业大学;2015年

3 崔凤娟;带脉冲条件的不定S-L问题的非实特征值[D];山东大学;2016年

4 董昭婷;能量依赖于速度的三阶特征值问题的可积系[D];石家庄铁道大学;2016年

5 郭景艳;能量依赖于速度的二阶特征值问题及其可积系统[D];石家庄铁道大学;2016年

6 刘贵梅;张量特征值的几个新包含集[D];云南大学;2016年

7 游园艺;张量的秩和特征值的若干问题[D];哈尔滨工业大学;2016年

8 孙付;微分算子不定谱问题在不同条件下非实特征值的估计[D];曲阜师范大学;2016年

9 王静;二阶半线性微分方程周期特征值问题的谱[D];西北师范大学;2016年

10 高婷;四阶线性不定权边值问题非实特征值的研究[D];西北师范大学;2016年



本文编号:1515599

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/yysx/1515599.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户9ce54***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com