We present algorithms for solving high-frequency acoustic scattering problems in complex domains. The eikonal and transport partial differential equations from the WKB/geometric optic approximation of the Helmholtz equation are solved recursively to generate boundary conditions for a tree of eikonal/transport equation pairs, describing the phase and amplitude of a geometric optic wave propagating in a complicated domain, including reflection and diffraction. Edge diffraction is modeled using the uniform theory of diffraction. For simplicity, we limit our attention to domains with piecewise linear boundaries and a constant speed of sound. The domain is discretized into a conforming tetrahedron mesh. For the eikonal equation, we extend the jet marching method to tetrahedron meshes. Hermite interpolation enables second order accuracy for the eikonal and its gradient and first order accuracy for its Hessian, computed using cell averaging. To march the eikonal on an unstructured mesh, we introduce a new method of rejecting unphysical updates by considering Lagrange multipliers and local visibility. To handle accuracy degradation near caustics, we introduce several fast Lagrangian initialization algorithms. We store the dynamic programming plan uncovered by the marcher in order to propagate auxiliary quantities along characteristics. We introduce an approximate origin function which is computed using the dynamic programming plan, and whose 1/2-level set approximates the geometric optic shadow and reflection boundaries. We also use it to propagate geometric spreading factors and unit tangent vector fields needed to compute the amplitude and evaluate the high-frequency edge diffraction coefficient. We conduct numerical tests on a semi-infinite planar wedge to evaluate the accuracy of our method. We also show an example with a more realistic building model with challenging architectural features.


翻译:我们提出了一种算法来解决复杂域中高频声学散射问题。从Helmholtz方程的WKB / 几何光学逼近中得出的等相线和输运偏微分方程递归地求解,以生成描述在复杂域中传播的几何光学波的相位和振幅,包括反射和衍射的等相线 / 传输方程对树的边界条件。使用衍射的均匀理论来建模边缘衍射。为简单起见,我们将注意力限于具有分段线性边界和恒定音速的域。域被离散化为符合四面体网格。对于等相线方程,我们将喷气行进方法扩展到四面体网格中。Hermite插值使等相线及其梯度具有二阶精度,其Hessian的精度为一阶,使用单元平均法计算。为了在非结构化网格上进行等相线处理,我们引入了通过考虑拉格朗日乘数和局部可见性来拒绝非物理更新的新方法。为处理在焦散附近的准确度退化,我们引入了多个快速的拉格朗日初始化算法。我们存储由行走者发现的动态编程计划,以便沿着特征线传播辅助量。我们引入了一种近似原函数,它使用动态规划计划计算,并且其1/2级别集大致估计了几何光学的阴影和反射边界。我们还使用它来传播几何传播因子和单位切向矢量场,以计算幅度并评估高频边缘衍射系数。我们对半无限平面楔形进行了数值测试,以评估我们方法的准确性。我们还展示了一个具有挑战性的建筑模型的示例,其中包含具有挑战性的建筑特征。

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