Underwater Acoustic Modeling and Simulation pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Etter, Paul C.

出品人:

页数:384

译者:

出版时间:2003-4

价格:$ 361.54

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isbn号码:9780419262206

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模拟与现实：现代工程中的数值方法 作者： [虚构作者姓名，例如：张伟 教授 / Dr. Alistair Finch] 出版社： [虚构出版社名称，例如：精密计算科学出版社 / Apex Technical Press] 出版年份： [虚构年份，例如：2024] --- 内容概述 本书深入探讨了当代工程与科学领域中，处理复杂物理系统所需的先进数值方法和计算建模技术。它不侧重于任何特定物理现象的深入理论，而是聚焦于通用算法的构建、实现与分析，这些算法是解决偏微分方程（PDEs）和大规模积分方程的基石。全书结构旨在为工程师、物理学家和计算机科学家提供一个坚实的理论框架和实践指导，以应对从材料科学到流体力学，再到电磁兼容性等领域的挑战。 本书的核心论点在于，准确的物理理解必须通过稳健的数学工具进行转化，而数值方法正是实现这种转化的桥梁。我们将详细解析如何将抽象的数学模型转化为可以在高性能计算（HPC）环境中高效运行的离散化方案。 第一部分：数值分析基础与离散化策略 本部分为后续高级主题奠定数学基础，重点在于理解误差的来源、传播与控制。 第 1 章：连续问题的离散化视角 本章首先回顾了常微分方程（ODEs）和偏微分方程（PDEs）在工程中的标准形式，强调了它们在描述动态和静态系统时的普适性。随后，我们引入了离散化的核心概念——如何用有限的代数方程组来近似无限维的连续系统。我们对比了三种基本的离散化哲学： 1. 积分方法 (Integral Methods)： 主要关注区域平均响应，探讨了有限体积法（FVM）在守恒律问题中的优势，特别是其在处理不连续解方面的鲁棒性。 2. 点值方法 (Pointwise Methods)： 侧重于有限差分法（FDM），分析了不同阶数的空间和时间差分格式（如前向、后向和中心差分），并详细讨论了非均匀网格下的精度损失与修正技巧。 3. 加权残量法 (Weighted Residual Methods)： 这是通往更高级方法的基础。本章详细介绍了伽辽金法（Galerkin Method）的基本思想，强调了权函数选择对最终解精度的决定性影响。 第 2 章：有限元方法的结构化解析 作为现代工程模拟的支柱之一，有限元法（FEM）在本章得到全面、深入的剖析。本书的重点在于建立一个从几何剖分到形函数构建的完整流程： 元素空间与形函数： 详细介绍了线性、二次及更高阶的形函数（如拉格朗日多项式和谢尔比（Serendipity）元素），并讨论了如何在高维空间中构建雅可比矩阵以实现坐标变换。 单元刚度矩阵的计算： 侧重于通过高斯-勒让德积分（Gaussian Quadrature）对单元积分进行数值逼近的过程，分析了积分点选择对实现最优收敛率的重要性。 网格划分与适应性： 探讨了结构化、非结构化网格的生成技术，并引入了网格自适应技术 (Adaptive Mesh Refinement, AMR) 的基本原理，包括误差估计指标（如梯度跳跃或残量分析）的应用。 第 3 章：时间离散化与稳定性分析 处理涉及时间演化的问题（如瞬态分析或动态系统）需要精确的时间步进策略。本章专注于评估时间积分方案的性能： 一阶与二阶隐式/显式方案： 比较了欧拉法（前向与后向）、梯形法则（Crank-Nicolson）以及二阶龙格-库塔法在精度和计算成本上的权衡。 无条件稳定性： 重点分析了无条件稳定（如后向欧拉法）在长时模拟中的优势，并探讨了其代价——可能引入的数值耗散（numerical damping）。 处理刚性系统 (Stiff Systems)： 针对那些对步长极其敏感的系统，介绍了使用更复杂的隐式方法（如BDF系列）的必要性，并讨论了在每个时间步内求解非线性代数方程组的迭代策略。 第二部分：大规模方程求解与高性能计算 在现代工程模拟中，模型通常会产生维度极高（百万至数十亿自由度）的线性或非线性代数方程组。本部分关注高效、可扩展的求解器技术。 第 4 章：线性系统的迭代求解器 对于大型稀疏矩阵系统 $Ax=b$，直接求解方法（如LU分解）通常因内存和计算量限制而不可行。本章深入研究迭代求解器的架构： 预处理器设计： 强调预处理器的作用是加速收敛。详细分析了经典的预处理技术，包括： 代数多重网格 (Algebraic Multigrid, AMG)： 讲解如何仅基于矩阵结构构建多层粗化策略。 不完全分解 (Incomplete Factorizations)： 如ILU（Incomplete LU）和IC（Incomplete Cholesky）的稀疏性保留策略。 迭代方法族： 详述了Krylov子空间方法，包括GMRES、双共轭梯度法（BiCGSTAB）的应用场景。特别关注预处理共轭梯度法（PCG） 在对称正定系统中的高效性。 收敛性理论： 分析特征值分布对迭代次数的影响，以及如何通过预处理器来改善矩阵的条件数。 第 5 章：非线性方程组的处理 许多物理过程（如材料非线性、大变形、湍流模型）导致最终的代数系统是非线性的。本章聚焦于非线性求解技术： 牛顿法及其变体： 详细阐述了标准牛顿法的迭代过程，以及其平方收敛的潜力。重点分析了在计算海森矩阵（Jacobian）时的挑战，包括解析与数值逼近方法的选择。 准牛顿法 (Quasi-Newton Methods)： 介绍BFGS和L-BFGS（Limited-memory BFGS）算法，它们通过近似存储和更新海森矩阵的逆来避免昂贵的矩阵求逆操作，特别适用于内存受限的场景。 线搜索策略： 讨论了如何选择有效的下降方向，并采用Armijo或Wolfe条件来保证迭代的全局收敛性。 第 6 章：并行计算与分布式内存模型 为了应对现代算例对计算资源的需求，并行化是必不可少的。本部分侧重于算法如何在集群环境中扩展： 域分解技术 (Domain Decomposition)： 深入研究了基于重叠和不重叠的分解方法，如施瓦茨交替化方法 (Alternating Schwarz Method) 和非重叠的 FETI/PESTI 框架。讨论了如何最小化跨域通信的开销。 并行线性求解器： 探讨了如何在分布式内存架构（MPI）上实现并行预处理器（如并行AMG）和并行Krylov求解器。 负载平衡与通信延迟： 分析了不均匀计算负荷（Load Imbalance）对并行效率的影响，并介绍了动态负载重分配的基本策略。 第三部分：特定领域的建模工具与误差控制 本部分将前两部分的理论应用于更具体的、需要高级处理技术的工程问题，同时强化误差的定量评估。 第 7 章：对流主导问题的数值处理 当对流项（一阶导数项）的系数远大于扩散项时，传统中心差分方法会产生严重的数值振荡。本章提供了解决这一问题的专业技术： 迎风格式 (Upwinding Schemes)： 分析了简单的一阶迎风格式及其带来的数值耗散，并引入了二阶迎风格式（如QUICK格式）。 高分辨率格式： 重点介绍了Total Variation Diminishing (TVD) 限制器技术（如Minmod, Superbee函数），这些技术允许在不产生振荡的前提下，保持解的尖锐特征。 人工粘性与稳定性： 讨论了在某些情况下，通过引入受控的数值粘性来稳定解的策略，以及如何确保这种粘性不会过度影响物理结果。 第 8 章：积分方程与边界元方法（BEM） 对于具有无限域或仅关注边界响应的问题，积分方程比微分方程更具优势。本章侧重于边界元方法 (Boundary Element Method, BEM)： 基本理论： 建立在格林函数和基本解之上，将高维问题降维到边界上的积分方程。 奇异积分的处理： BEM 的核心挑战在于边界积分中的奇异性和伪奇异性。详细讨论了如何使用高斯积分的特殊形式（如对数或反距离奇性）来精确评估这些积分。 高效矩阵向量乘法 (Fast Solvers)： 针对积分方程产生的全矩阵结构（$N imes N$ 矩阵，其中$N$是边界节点数），引入了快速多极方法 (Fast Multipole Method, FMM) 来将 $O(N^2)$ 的计算复杂度降低到近乎线性 $O(N log N)$。 第 9 章：不确定性量化与模型验证 在实际工程应用中，输入参数、材料属性或载荷总存在不确定性。本章将模拟从确定性分析提升到概率性分析： 不确定性传播： 介绍了基于蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟以及更高效的概率随机展式法 (Stochastic Collocation / Projection Methods) 来量化输出变量的统计分布。 灵敏度分析： 教授如何计算解对输入参数变化的敏感度，这对于识别模型中最关键的输入参数至关重要。 模型验证与确认 (V&V)： 讨论了系统性的流程，包括如何使用实验数据或高保真模型来校准模型的输入参数，以及如何量化模型预测误差的边界。 --- 目标读者与价值 本书面向具备微积分、线性代数和基础数值方法知识的研究生、博士后研究人员以及在航空航天、土木工程、电子设计和地球科学等领域从事复杂系统模拟的专业工程师。 本书的独特价值在于： 它不局限于特定的物理领域，而是将目光投向了算法的通用性、可扩展性和鲁棒性。读者将掌握一套跨越多种物理建模场景的计算工具箱，从而能够独立设计、评估和优化下一代高性能计算模拟软件。通过对收敛性、稳定性和并行效率的严格要求，本书确保读者不仅能“运行”模拟，更能深刻理解模拟结果背后的数学和计算限制。

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这本书的名称——“水下声学建模与模拟”——勾起了我对潜水和海洋生物的兴趣。虽然书名听起来技术性很强，但我认为它背后蕴含着很多令人惊叹的应用。我设想，书中可能不仅仅是枯燥的公式和理论，而是会讲述科学家如何利用这些模型和模拟，去“听”懂海洋的声音，去理解鲸鱼和海豚的交流方式，去探测那些深埋在海底的古老遗迹。我特别希望能看到书中介绍如何模拟声波在不同密度、温度和盐度变化的水体中的传播，以及海底的岩石、泥沙等介质对声波的影响。我猜想，书中可能还会涉及一些先进的建模技术，比如基于物理特性的建模，或者是利用机器学习来辅助建模和模拟。如果书中还能探讨如何利用模拟技术来优化水下通信系统的设计，或者如何通过声学手段来监测海洋环境的变化，那就更加引人入胜了。总的来说，这本书给了我一个机会，去想象声学技术如何成为我们探索和理解海洋世界的重要工具。

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说实话，我对“水下声学建模与模拟”这个书名，第一反应是它听起来相当高深，充满了专业术语，可能只适合那些在声学领域深耕多年的专家。但细想一下，在当今科技如此发达的时代，我们对海洋的了解越来越深入，声学技术在其中扮演的角色也越来越重要，这本书的出现，或许正是一种必然。我猜想，这本书的读者群体可能会比较广泛，除了海洋声学专业的学生和研究人员，可能还有一些对海洋技术感兴趣的工程师、科学家，甚至是科幻爱好者。我设想，这本书的结构可能会循序渐进，从基础概念入手，然后逐渐深入到复杂的建模和模拟技术。我期待书中能够清晰地解释声学模型是如何构建的，以及模拟过程中会涉及到哪些关键的算法和软件工具。如果书中还能包含一些关于模型验证和不确定性分析的内容，那就更能体现其科学严谨性了。总而言之，这本书的出现，似乎标志着水下声学研究正在走向一个更加系统化、模型化的新阶段。

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读到这本书的书名，我立刻联想到那些关于海洋探索的纪录片，里面常常会提到声纳技术，用来探测海底的沉船、鱼群，甚至绘制海底地形。这本书的名字“水下声学建模与模拟”恰好触及了我对这些技术背后原理的好奇心。我猜想，这本书应该会详细讲解如何将复杂的水下环境抽象成模型，然后通过计算机模拟来预测声波的行为。这肯定涉及到大量的数学公式和物理概念，我虽然不一定能完全理解其中的细节，但光是想象科学家们如何运用这些工具来“听”懂海洋，就觉得非常 fascinating。我希望书中能够解释一些关键的声学效应，比如折射、反射、衍射，以及它们在不同水文条件下的表现。同时，我也对如何模拟各种干扰因素感兴趣，比如海浪、海洋生物的噪声，甚至是人类活动产生的噪音，它们会对声波的传播产生怎样的影响。如果书中还能介绍一些经典的声学模型，比如简化的射线理论或者更复杂的波动理论，那就更好了。总的来说，这本书给我一种“解密”的感觉，它让我有机会去理解那些支撑着我们对海洋认知的重要技术。

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刚看到这本书名，我脑子里立刻就浮现出了一些画面：深邃的海洋，潜艇在其中悄无声息地航行，声纳系统发出声波，然后接收回来的信号勾勒出周围的环境。这本书——“水下声学建模与模拟”——似乎就是关于这一切如何运作的“幕后故事”。我猜测，它不会仅仅停留在理论层面，而是会非常注重实践。我期望书中能够涵盖诸如声传播路径模型、声场计算、以及如何处理环境不确定性等内容。我想象着，书中会通过大量的实例来讲解，比如如何为特定海域建立声学模型，然后模拟在不同目标和传感器配置下的声波传播特性。这对于任何想要深入了解水下声学的人来说，都是非常有价值的。我尤其对书中可能涉及的数值模拟方法感兴趣，比如有限元方法、边界元方法，或者更现代的波束传播方法。了解这些方法的原理和应用，将有助于我更深刻地理解水下声学建模的挑战与解决方案。这本书的名称本身就充满了技术感和探索性，让我跃跃欲试。

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这本书的封面设计非常吸引人，深邃的蓝色背景，上面漂浮着一些模糊的光斑，仿佛真的置身于海底世界。我被这个名字深深吸引了——“水下声学建模与模拟”。虽然我不是这个领域的专业人士，但一直对海洋以及它隐藏的奥秘充满好奇。这本书似乎提供了一个窥探水下声学世界的大门，让我有机会去理解那些肉眼看不见的声波如何在水中传播，它们如何被利用，又如何在复杂的水下环境中被影响。我设想着，这本书可能会从基础的声学原理讲起，比如声波的产生、传播速度、衰减机制，然后深入到各种复杂的建模技术，比如如何模拟不同水层、海底地形、海洋生物对声波的影响。我特别期待书中能够介绍一些实际的应用案例，比如声纳技术在海洋探测、水下通信、军事应用中的作用，以及如何通过模拟来优化这些应用。当然，如果书中还能包含一些图表和数据，那就更好了，这样可以帮助我更直观地理解抽象的概念。总而言之，这本书在我心中描绘了一幅关于水下声学奥秘的宏伟画卷，让我迫不及待地想翻开它，去探索那个充满未知与挑战的声学世界。

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