Preview

Вестник Казахстанско-Британского технического университета

Расширенный поиск

ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ КОЭФФИЦИЕНТНОЙ ЗАДАЧИ АКУСТИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАПЛАСА И МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

https://doi.org/10.55452/1998-6688-2026-23-2-108-123

Аннотация

В данной статье рассматривается решение обратной коэффициентной задачи для волнового уравнения, направленной на восстановление пространственного распределения скорости звука в неоднородной среде. Для решения прямой задачи применяется преобразование Лапласа, позволяющее исключить временную зависимость и перейти к обыкновенным дифференциальным уравнениям в частотной области, что существенно снижает вычислительные затраты. Обратная задача формулируется как оптимизационная: минимизация функционала невязки между рассчитанными и измеренными значениями акустического давления осуществляется с помощью стохастического метода глобальной оптимизации, дифференциальной эволюции. Численные эксперименты проводились на модели многослойной среды (песок, грунт, камень, вода, воздух) с использованием синтетических данных, зашумленных случайным образом. Предложен адаптивный комбинированный метод восстановления, позволяющий снизить влияние ошибок на границах сред. Результаты показывают высокую точность метода: относительная погрешность восстановления профиля скорости звука составила около от 2,5 до 4,3%, что подтверждает эффективность подхода для задач акустической диагностики и томографии.

Об авторах

А. В. Синица
Казахстанско-Британский технический университет
Казахстан

PhD, ассистент-профессор.

Алматы



Ю. А. Цхай
Казахстанско-Британский технический университет
Казахстан

Магистр, лектор.

Алматы



А. К. Шкорко
Казахстанско-Британский технический университет
Казахстан

Магистр, лектор.

Алматы



А. П. Кардук
Университет Фуртвангена
Германия

PhD, профессор.

Фуртванген



Список литературы

1. Uhlmann, G., and Zhai, J. On an inverse boundary value problem for a nonlinear elastic wave equation. Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, 153, 114–136 (2021). https://doi.org/10.1016/j.matpur.2021.07.005

2. Wall, D.J.N., and Lundstedt, J. Inverse problems involving the one-way wave equation: medium function reconstruction. Mathematics and Computers in Simulation, 50 (5-6), 489–510 (1999).

3. Xu, Y., Zhang, X.-Z., Casalino, D., and Bi, C.-X. Spatial and temporal reconstruction of unsteady rotating forces through an inverse acoustic method. Mechanical Systems and Signal Processing, 200, 110596 (2023).

4. Guo, Q., Yu, L., Wang, R., Wang, R., and Jiang, W. The acoustic inverse problem in the inhomogeneous medium by iterative Bayesian focusing algorithm. Signal Processing, 198, 108602 (2022).

5. Baudouin, L., Ervedoza, S., and Osses, A. Stability of an inverse problem for the discrete wave equation and convergence results. Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, 103 (6), 1475–1522 (2015).

6. Kabanikhin, S.I. Inverse and Ill-Posed Problems: Theory and Applications. De Gruyter, 2011.

7. Kabanikhin, S.I., Shishlenin, M.A., and Nurseitov, D.B. Numerical solving of the coefficient inverse problem for the wave equation. Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, 2 (1), 48–63 (2014).

8. Bektemesov, M.A., Nurseitov, D.B., and Shaniyev, B.Sh. Parallel algorithm for solving the inverse problem of wave propagation. Journal of Inverse and Ill-Posed Problems, 26 (2), 235–244 (2018).

9. Iskakov, K.T. Numerical solution of the inverse problem of restoring the parameters of a layered medium. Herald of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, 6, 25–32 (2015).

10. Okuzono, T., Yoshida, T., and Sakagami, K. Efficiency of room acoustic simulations with time-domain FEM including frequency-dependent absorbing boundary conditions. Applied Acoustics, 182, 108212 (2021).

11. Alcântara, A.A., Límaco, J.B., Carmo, B.A., Guardia, R.R., and Rincon, M.A. Numerical analysis for nonlinear wave equations with boundary conditions: Dirichlet, Acoustics and Impenetrability. Applied Mathematics and Computation, 484, 129009 (2025).

12. Hu, S., Wulbusch, N., Chernov, A., and Bechtold, T. An Error Estimator and Stopping Criterion for Krylov-Based Model Order Reduction in Acoustics. IFAC-PapersOnLine, 59 (1), 373–378 (2025).

13. El Moçayd, N., Mohamed, M.S., and Seaid, M. Data-driven hybrid modelling of waves at midfrequencies range: Application to forward and inverse Helmholtz problems. Journal of Computational Science, 81, 102384 (2024).

14. Chen, J., Lv, H., Ding, L., Zhang, K., Lai, Z., and Chenglong, H. Quasi-dynamic modeling and simulation of district heating systems: A Laplace transform-based approach. Energy Reports, 11, 2794–2804 (2024).

15. Keyantuo, V. The Laplace Transform and the Ascent Method for Abstract Wave Equations. Journal of Differential Equations, 122 (1), 27–47 (1995).

16. Li, D., Lin, J., Shi, G., Zhang, J., Li, H., and Zhang, X. Research on Laplace transform of stress wave propagation relaxation function in multi-layer media. Case Studies in Construction Materials, 18, e02103 (2023).

17. Owolabi, K.M., Pindza, E., Karaagac, B., and Oguz, G. Laplace transform-homotopy perturbation method for fractional time diffusive predator-prey models in ecology. Partial Differential Equations in Applied Mathematics, 9, 100607 (2024).

18. N. Marat, B. Zharasbek, T. Madi, Zh. Zhandos, Ts. Victor, Classification of seismic phases based on machine learning, News Natl. Acad. Sci. Rep. Kazakhstan-Ser. Phys.-Math., 5:333 (2020). DOI:10.17377/semi.2016.13.006

19. Wojciechowski, M., Lefik, M., and Boso, D.P. Differential evolution algorithm and artificial neural network surrogate model for functionally graded material homogenization and design. Composite Structures, 362, 119041 (2025).

20. Reda, M., Onsy, A., Haikal, A.Y., and Ghanbari, A. DXMODE: A dynamic explorative multi-operator differential evolution algorithm for engineering optimization problems. Information Sciences, 717, 122271 (2025).

21. Qu, X., Ren, C., Yan, G., Zheng, D., Tang, W., Wang, S., Lin, H., Zhang, J., and Jiang, J. DeepLearning-Based Ultrasound Sound-Speed Tomography Reconstruction with Tikhonov Pseudo-Inverse Priori. Ultrasound in Medicine & Biology, 48 (10), 2079–2094 (2022).

22. Sun, X., Yang, Y., Jia, H., Zhao, H., Bi, Y., Sun, Z., and Yang, J. Acoustic structure inverse design and optimization using deep learning. Journal of Sound and Vibration, 596, 118789 (2025).

23. Sinitsa, A.V., Tskhay, Yu.A., Ukassova, A.K., and Capsoni, A. Mathematical modeling of acoustic propagation through auralization techniques inside enclosers with variation of boundary conditions. Herald of the Kazakh-British Technical University, 20 (3), 51–60 (2023).

24. Feriani, S.J., Cosnefroy, M., Engsig-Karup, A.P., Warburton, T., Pind, F., and Jeong, C.-H. A stable decoupled perfectly matched layer for the 3D wave equation using the nodal discontinuous Galerkin method. Journal of Sound and Vibration, 595, 118779 (2025).

25. Jeppesen, P., and Tromborg, B. Properties of the Fourier transform and Heaviside's step function. In Optical Communications from a Fourier Perspective (pp. 39–71). Elsevier, 2024.

26. Jain, A., Krishnan, G., and Hasrati, E. A Heaviside functions based technique to solve multilayer transient thermal conduction problems. International Communications in Heat and Mass Transfer, 154, 107323 (2024).

27. Alberini, C., Capitanelli, R., and Finzi Vita, S. A numerical study of a degenerate diffusion equation driven by a Heaviside function. Computers & Mathematics with Applications, 89, 139–149 (2021).

28. Hong, G., Huang, J., and Li, Z. Direct sampling method for solving the inverse acoustic wave scattering problems in the time domain. Computers & Mathematics with Applications, 179, 229–242 (2025).

29. Li, L., and Zhang, Y. Inverse problems for a quasilinear strongly damped wave equation arising in nonlinear acoustics. Journal of Differential Equations, 410, 786–831 (2024).

30. Yang, X., An, L., Gao, Y., and Hao, X. Multi-objective optimization method for cement calcination system based on dual population differential evolution algorithm. Journal of Process Control, 151, 103448 (2025).

31. Sun, G., Yuan, G., Deng, L., Li, C., and Zheng, M. An adaptive differential evolution algorithm based on individual-level intervention strategy for global optimization. Expert Systems with Applications, 286, 128054 (2025).


Рецензия

Для цитирования:


Синица А.В., Цхай Ю.А., Шкорко А.К., Кардук А.П. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ КОЭФФИЦИЕНТНОЙ ЗАДАЧИ АКУСТИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛАПЛАСА И МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ. Вестник Казахстанско-Британского технического университета. 2026;23(2):108-123. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2026-23-2-108-123

For citation:


Sinitsa A.V., Tskhay Yu.A., Shkorko A.K., Karduck A.P. NUMERICAL SOLUTION OF THE INVERSE COEFFICIENT ACOUSTIC PROBLEM USING LAPLACE TRANSFORM AND DIFFERENTIAL EVOLUTION METHOD. Herald of the Kazakh-British Technical University. 2026;23(2):108-123. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2026-23-2-108-123

Просмотров: 41

JATS XML


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1998-6688 (Print)
ISSN 2959-8109 (Online)