Acoustic and elastic wave equations are routinely used in geophysical and engineering studies to simulate the propagation of waves, with a broad range of applications, including seismology, near surface characterization, non-destructive structural evaluation, etc. Finite difference methods remain popular choices for these simulations due to their simplicity and efficiency. In particular, the family of finite difference methods based on the summation-by-parts operators and the simultaneous-approximation-terms technique have been proposed for these simulations, which offers great flexibility in addressing boundary and interface conditions. For the applications mentioned above, surface of the earth is usually associated with the free surface boundary condition. In this study, we demonstrate that the weakly imposed free surface boundary condition through the simultaneous-approximation-terms technique can have issue when the source terms, which introduces abrupt disturbances to the wave field, are placed too close to the surface. In response, we propose to build the free surface boundary condition into the summation-by-parts finite difference operators and hence strongly and automatically impose the free surface boundary condition to address this issue. The procedure is very simple for acoustic wave equation, requiring resetting a few rows and columns in the existing difference operators only. For the elastic wave equation, the procedure is more involved and requires special design of the grid layout and summation-by-parts operators that satisfy additional requirements, as revealed by the discrete energy analysis. In both cases, the energy conserving property is preserved. Numerical examples are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.


翻译:在地球物理和工程研究中,常使用声波和弹性波变方程式模拟波浪的传播,其应用范围很广,包括地震学、近表面特征鉴定、非破坏性结构评价等。由于这些模拟的简单和效率,精度差异方法仍然是流行的选择。特别是,基于按部对调操作员和同时-同时-一致-条件的有限差异方法组合,这些模拟为处理边界和界面条件提供了极大的灵活性。关于上述应用,地球表面通常与自由地表边界条件有关。在本研究中,我们表明,由于同时-接近地表特征的术语技术,这些模拟仍然很受欢迎。特别是,基于按部对流操作员和同时-平衡操作员进行对比的有限差异法方法以及同时-一致-条件,我们提议将这些自由地表边界条件纳入按部分对边界和边界条件的比较灵活。对于同时使用的地表边界条件,通过同时采用同步-偏差法的操作员和电压结构图来说,程序非常简单, 要求通过当前电流流流压操作员进行更精细的电压和电压分析。

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