In this work, two fast multipole boundary element formulations for the linear time-harmonic acoustic analysis of finite periodic structures are presented. Finite periodic structures consist of a bounded number of unit cell replications in one or more directions of periodicity. Such structures can be designed to efficiently control and manipulate sound waves and are referred to as acoustic metamaterials or sonic crystals. Our methods subdivide the geometry into boxes which correspond to the unit cell. A boundary element discretization is applied and interactions between well separated boxes are approximated by a fast multipole expansion. Due to the periodicity of the underlying geometry, certain operators of the expansion become block Toeplitz matrices. This allows to express matrix-vector products as circular convolutions which significantly reduces the computational effort and the overall memory requirements. The efficiency of the presented techniques is shown based on an acoustic scattering problem. In addition, a study on the design of sound barriers is presented where the performance of a wall-like sound barrier is compared to the performance of two sonic crystal sound barriers.


翻译:在这项工作中,提出了两个快速的多极边界要素配方,用于对有限周期结构进行线性时间调和声学分析,定期结构包括一个或一个以上周期方向的单元细胞复制集成数,这些结构的设计可以有效地控制和操纵声波,并被称为声学元材料或声学晶体。我们的方法是将几何分解成与单元单元细胞相对应的盒子。一个边界要素是分解的,一个非常分离的盒子之间的相互作用以快速的多极扩展为近似。由于基本几何的周期性,扩展的某些操作器成为托普利茨基体块块体。这样可以将矩阵-矢量产品作为圆形变相表达,大大减少计算努力和总体内存要求。所提出的技术的效率以声散射问题为根据。此外,还介绍了关于音障设计的研究,将壁声屏的性能与两个声学晶体屏的性能作比较。

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