计算物理 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (6): 687-698.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8520
吴国正1(), 王发杰1,2,*(
), 程隋福1, 张成鑫1
收稿日期:
2022-02-25
出版日期:
2022-11-25
发布日期:
2023-04-01
通讯作者:
王发杰
作者简介:
吴国正, 男, 硕士生, 研究方向为计算物理, E-mail: wgz980518@163.com
Guozheng WU1(), Fajie WANG1,2,*(
), Suifu CHENG1, Chengxin ZHANG1
Received:
2022-02-25
Online:
2022-11-25
Published:
2023-04-01
Contact:
Fajie WANG
摘要:
针对频域内部声场正反问题的数值模拟, 建立基于物理信息的神经网络架构。与基于数据驱动的神经网络不同, 将声学问题的Helmholtz方程及其对应的边界条件引入神经网络, 所建立的神经网络算法不仅能够反映训练数据样本的分布规律, 而且也遵循由偏微分方程描述的物理定律。考虑到频域声学问题中含有复数部分, 建立两种网络架构, 并进行验证和比较分析。该方法无需网格划分和数值积分等繁琐的数值计算过程, 可自由地处理不规则区域和非均匀分布情形。数值实验考察二维和三维复杂几何结构的声学正问题及反问题, 结果表明所建立的物理信息神经网络算法具有较高的精确度、收敛性和鲁棒性。
吴国正, 王发杰, 程隋福, 张成鑫. 基于物理信息神经网络的内部声场正反问题数值计算[J]. 计算物理, 2022, 39(6): 687-698.
Guozheng WU, Fajie WANG, Suifu CHENG, Chengxin ZHANG. Numerical Simulation of Forward and Inverse Problems of Internal Sound Field Based on Physics-informed Neural Network[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(6): 687-698.
图1 内部声场正反问题示意图(a) 正问题; (b) 反问题
Fig.1 A schematic of forward and inverse problems associated with internal sound field (a) forward problem; (b) inverse problem
方法 | 最大绝对误差 | 最大相对误差 | 均方根误差 |
PINN1 | 3.000 9 × 10-5 | 1.692 3 × 10-5 | 6.874 2 × 10-7 |
PINN2 | 8.163 5 × 10-4 | 7.302 9 × 10-3 | 9.252 3 × 10-5 |
LMFS | 7.753 1 × 10-6 | 4.183 7 × 10-5 | 5.004 9 × 10-6 |
GFDM | 5.859 3 × 10-2 | 1.593 6 × 10-1 | 3.631 3 × 10-2 |
表1 相同节点分布下PINN1、PINN2、LMFS和GFDM的计算误差
Table 1 Numerical errors of PINN1, PINN2, LMFS and GFDM under same nodal distribution
方法 | 最大绝对误差 | 最大相对误差 | 均方根误差 |
PINN1 | 3.000 9 × 10-5 | 1.692 3 × 10-5 | 6.874 2 × 10-7 |
PINN2 | 8.163 5 × 10-4 | 7.302 9 × 10-3 | 9.252 3 × 10-5 |
LMFS | 7.753 1 × 10-6 | 4.183 7 × 10-5 | 5.004 9 × 10-6 |
GFDM | 5.859 3 × 10-2 | 1.593 6 × 10-1 | 3.631 3 × 10-2 |
最大相对误差 | 均方根误差 | |
区域(a) | 2.609 7×10-5 | 4.009 5×10-8 |
区域(b) | 1.114 1×10-4 | 2.989 6×10-7 |
区域(c) | 4.537 6×10-4 | 1.149 2×10-6 |
表2 三种声腔结构声学分析中PINN1的最大相对误差和均方根误差
Table 2 Maximum relative errors and root mean square errors of PINN1 in acoustic analysis for three cavity structures
最大相对误差 | 均方根误差 | |
区域(a) | 2.609 7×10-5 | 4.009 5×10-8 |
区域(b) | 1.114 1×10-4 | 2.989 6×10-7 |
区域(c) | 4.537 6×10-4 | 1.149 2×10-6 |
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