有限差分法模拟地震波场
有限差分法
班级：通信13-4 姓名： 学号： 指导教师：徐维 成绩： 电子与信息工程学院 信息与通信工程系
求解金属槽的电位分布 1.实验原理 利用有限差分法和matlab软件解决电位在金属槽中的分布。 有限差分法基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替,这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似,积分用积分和来近似,于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组,即有限差分方程组,解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解.然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解.在采用数值计算方法求解偏微分方程时,若将每一处导数由有限差分近似公式替代,从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题。 2.有限差分法 方程的定解问题就是在满足某些定解条件下求微分方程的解。在空间区域的边界上要满足的定解条件称为边值条件。如果问题与时间有关，在初始时刻所要满足的定解条件，称为初值条件。不含时间而只带边值条件的定解问题，称为边值问题。与时间有关而只带初值条件的定解问题，称为初值问题。同时带有两种定解条件的问题，称为初值边值混合问题。 定解问题往往不具有解析解，或者其解析解不易计算。所以要采用可行的数值解法。有限差分方法就是一种数值解法，它的基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。此外，还要研究差分格式的解的存在性和唯一性、解的求法、解法的数值稳定性、差分格式的解与原定解问题的真解的误差估计、差分格式的解当网格大小趋于零时是否趋于真解（即收敛性），等等。 有限差分方法具有简单、灵活以及通用性强等特点，容易在计算机上实现。 2.1有限差分法原理
多波多分量地震波场数值模拟及分析
第４６卷第５期２００７年９月 石油物探 ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬＰＲＯＳＰＥＣＴＩＮＧＦＯＲＰＥＴＲｏＩ。ＥＵＭ Ｖ０１．４６，Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．，２００７ 文章编号：１０００—１４４１（２００７）０５—０４５１—０６ 多波多分量地震波场数值模拟及分析 刘军迎，雍学善，高建虎，杨午阳 （中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院西北分院，甘肃兰州７３００２０） 摘要：以多波多分量地表资料处理和解释为目的，利用波动方程数值模拟方法对多波多分量地震波场进行了分析和研究。通过单界面和双界面模型正演，对反射纵波（ＰＰ波）和转换横波（Ｐ－ＳＶ波）的识别及波场响应特征进行了研究：①Ｐ－ＳＶ波速度低，频率低，能量随偏移距的增加而增加，零偏移距处能量为零；②界面反射系数为正时Ｐ－ＳＶ波与ＰＰ波极性相反，界面反射系数为负时Ｐ－ＳＶ波与ＰＰ波极性一致；③Ｚ分量和Ｘ分量地震记录都是ＰＰ波与Ｐ－ＳＶ波的混合信息；④Ｘ分量的ＰＰ波和Ｐ．ＳＶ波都是由两个极性相反的分支组成的。通过多界面模型正演，分析了转换波勘探的多解性，即地质上的同一个岩性界面有可能对应地震剖面上的两个甚至更多的同相轴。通过理论、模型和实际资料分析，探讨了多波多分量勘探中水平分量旋转处理存在的问题，即通过水平分量旋转处理获得的三分量记录仍然包含了全波场信息，指出通过极化分析，进行三分量同时旋转，可以实现纵波波场和横波波场的完全分离。最后讨论了ＰＰ波和Ｐ－ＳＶ波的分辨率，认为Ｐ－ＳＶ波的纵、横向分辨率均低于ＰＰ波。 关键词：多波多分量；波场特征；水平分量旋转；三分量旋转；波场分离；分辨率 中图分类号：Ｐ６３１．４文献标识码：Ａ 数值模拟技术已广泛应用于油气勘探的各个阶段，如模型正演ＡＶＯ研究［１］，叠前深度偏移的初始速度模型建立［２］，等等。数值模拟方法主要有两大类，即波动方程法和几何射线法［３］。几何射线法以研究波的运动学特征为主，适合地质构造的模拟与研究，但该方法缺乏对波的动力学特征的表征能力，不适合多波多分量地震波场的表征、刻画和研究；波动方程法具有同时表征波场的运动学特征和动力学特征的能力，是地震波（包括Ｐ波、ＰＳ波等）的传播机理、波场响应特征研究和分析的有力工具。 有人利用Ａｉｄ近似公式进行多波多分量记录合成，研究弹性参数的反演问题［４］，但因为基于褶积模型，不算真正意义上的模型正演。我们利用全波场波动方程数值模拟技术分析了多波多分量地震波场的传播特征和地层响应特征；对目前的水平分量旋转处理技术进行了讨论，指出其存在的不足，给出了应对策略，同时还对转换横波的地震分辨率进行了分析，为多波多分量资料处理和解释提供了参考依据。 １ＰＰ波、Ｐ－ＳＶ波的识别和波场特征研究 研究中遵循的指导思想是“由简单到复杂”：由单界面模型到多界面模型，由声波方程到弹性波方程，由单分量（Ｚ分量）波场到多分量（Ｚ分量、Ｘ分量）波场。 １．１ＰＰ波、Ｐ－ＳＶ波的识别 图１是设计的单界面模型，地层１的纵波速度为３０００．００ｍ／ｓ，横波速度为１７３０．００ｍ／ｓ，密度为２．２０ｇ／Ｃ１．ｎ３；地层２的纵波速度为４７２４．４９ｍ／ｓ，横波速度为２７３７．４５ｍ／ｓ，密度为２．５７ｇ／ｃｒｎ３。图２是弹性波动方程法模拟的单炮记录和波场快照，可以看出，转换横波（Ｐ＿ＳＶ波）的同相轴位于反射纵波（ＰＰ波）同相轴的下方，曲率较大。这说明Ｐ＿ＳＶ波传播速度较小，在同一反射层、同一反射／转换点的情况下，旅行时较大。由公式 ｖｆ，ｓ一２ｖｐｖｓ／（Ｖｐ—ｌ—ｖｓ） 及 ｔｏ＝＝２ｈ／ｖ 也可以得出这样的结论，并且Ｐ－ＳＶ波和ＰＰ波的速度差异越大，二者分得越开，在单炮记录或地震剖面上就越容易识别。 图１单界面模型 收稿日期ｉ２００６—１２—０４；改回日期：２００７—０３—０１。 作者简介：刘军迎（１９６６一），男，高级工程师，现从事多波多分量地 震波场数值模拟和资料解释等研究工作。 万方数据
声波有限差分法正演模拟c语言程序
#include 电磁场与电磁波实验报告 实验项目：有限差分法 一、实验目的及要求 1、学习有限差分法的原理与计算步骤； 2、学习用有限差分法解静电场中简单的二维静电场边值问题； 3、学习用Matlab语言描述电磁场与电磁波中内容，用matlab求解问题并用图形表示出了，学习matlab语言在电磁波与电磁场中的编程思路。 二、实验内容 理论学习：学习静电场中边值问题的数值法中的优先差分法的求解知识； 实践学习：学习用matlab语言编写有限差分法计算二维静电场边值问题； 三、实验仪器或软件 Matlab7.0 电脑 四、实验原理 有限差分法的基本思想 将计算场域划分成网格，把求解场域内连续的场分布用求解网格节点上的离散数值解来代替；即用网格节点的差分方程近似代替场域内的偏微分方程来求解。简单迭代法 先对场域内的节点赋予初始值 ）（0,j i Φ ，这里上标（0）表示第0次近似值，即初 始值。然后再按照： ][4 1k 1,k ,1k 1,k ,11k ,）（）（）（）（）（++--+Φ+Φ+Φ+Φ=Φ j i j i j i j i j i 进行反复迭代。若当第N 次迭代结束后，所有内节点相邻两次迭代值之间的绝对误差小于事先给定的精度，则迭代停止。 W MAX N j i N j i ?Φ-Φ-）（）（1,, 注意： 初始值的赋予是任意的； 赋予初始值后，请按“从左到右、从下到上”的固定顺序依次计算各节点值； 当所有节点都算完一遍后，再用它们的新值代替旧值，即完成一次迭代。 五、实验步骤 复习理论知识； 编写matlab 程序； 六、结果分析与问题讨论 1、程序： clear X=[0,0,0,0,0;0,25,25,25,0;0,50,50,50,0;0,75,75,75,0;100,100,100,100,100] Pot=[0,0]; for i=2:4 for j=2:4 PotX(i-1,j-1)=(X(i-1,j)+X(i,j-1)+X(i+1,j)+X(i,j+1))/4 Pot(1)=abs(PotX(i-1,j-1)-X(i,j)); Pot(2)=max(Pot) end end X(2:4,2:4)=PotX num=1; while(max(1000.*Pot)>1) Pot(2)=0; (,1,2,......) (0,1,2,......) i j k == 基于Matlab实现的地震波场边界处理软件 姓名：姚嘉德学号：2015301130007 院系：资源与环境科学学院 摘要：用有限差分法模拟地震波场是研究地震波在地球介质中传播的有效方法。但我们在实验室进行波场数值模拟时有限差分网格是限制在人工边界里面，即引入了人工边界条件。本文采用Clayton_Engquist_Majda二阶吸收边界条件，通过MATLAB编程实现了这一算法。依靠MATLAB具有更加直观的、符合大众思维习惯的代码，为用户提供了友好、简洁的程序开发环境，方便同行们交流。利用Matlab本身所具有可视化功能以及像素识别功能，可以将生成的动画电影进行识别，用于地震局实时分析有着深远意义。 关键词：有限差分法，地震波场，吸收边界条件，MATLAB矢量帧,像素识别 Abstract：Modeling seismic wave field with the Finite Difference Method (FDM) is an effective method to study theseismic wave propagation in the earth medium. When we model seismic wave field in the laboratory, the finitedifference grids are restricted in the artificial boundary. So it should introduce the artificial boundary conditions. This paper adopts Clayton_Engquist_Majda second absorbing boundary conditions and realizes the arithmetic with MATLAB. The MATLAB codes are direct and accord with our thinking custom. So it can provide the friendlyand succinct programming environment and is easy to communicate with https://www.360docs.net/doc/ea13865767.html,ing the functions of Matlab that make visualization come true and identify the pixel,we can identify the earthquake wave field. Key words: finite difference method, seismic wave field, numerical modeling, absorbing boundary conditions,MATLAB 《地震数值模拟》实验报告 一、实验题目 叠加地震记录的相移波动方程正演模拟 二、实验目的 1.掌握各向同性介质任意构造、水平层状速度结构地质模型的相移波动方程正演模拟基本理论 2.实现方法与程序编制 3.由正演记录初步分析地震信号的分辨率。 三、实验原理 1、地震波传播的波动方程 设（x,z）为空间坐标，t为时间，地震波传播速度为v(x,z)，则二位介质中任意位置、任意时刻的地震波场为p(z,x,t)：压缩波——纵波。则二维各向同性均匀介质中地震波传播的遵循声波方程为 2、傅里叶变换的微分性质 p(t)与其傅里叶变换的P(w)的关系： 3、地震波传播的相移外推公式 令速度v不随x变化，只随z变化，则利用傅里叶变换微分性质把波动方程(变换到频率-波数域，得： 4、初始条件和边界条件 按照爆炸界面理论，反射界面震源在t=0时刻同时起爆，此时刻的波场就是震源。根据不同情况，可直接使用反射系数脉冲或子波作震源。如果直接使用反射系数作震源脉冲，则初始条件可表示为： 5、边界处理 （1）边界反射问题 把实际无穷空间区域中求解波场的问题化为有穷区域求解时，左右两边使用零边界条件。物理上假设探区距Xmin与Xmax两个端点很远，在两个端点上收到的反射波很弱。但是，上述条件在实际中不能成立，造成零边界条件反而成为绝对阻止波通过的强反射面。在正演模拟的剖面上出现了边界假反射干涉正常界面的反射。 （2）边界强反射的处理 镶边法、削波法、吸收边界都能有效消除边界强反射。 削波法就是在波场延拓过程中，没延拓一次，在其两侧均匀衰减到零，从而消除边界强反射的影响。假设横向总长度为NX，以两边Lx道吸波为例，有以下吸波公式： 四、实验内容 碳酸盐岩储层地震波数值模拟影响因素分析 通过对比分析已有井的钻测井资料，建立了基于单井的正演模型以及区域连井地质-地球物理模型，并且两者的储层正演响应特征规律性一致。分析讨论了模型建立过程中需考虑的影响因素：子波选择与旁瓣，围岩的尺度、位置、形状。揭示了发育不同厚度时的地震响应特征，进而正确认识了储层的地震相，在实际应用中取得了良好的效果。 标签：地震波数值模拟；有限差分法；碳酸盐岩储层；影响因素 1 概述 在地震勘探中，地震波数值模拟又称地震正演，可供正确认识储层的地震响应特征，为储层预测提供基础。通过分析不同厚度、岩性组合对地震响应的影响，建立储层和地震响应特征之间的联系，為应用地震资料进行储层预测提供一定的依据。地震波数值模拟方法主要分为射线追踪法和波动方程法两类，而其中波动方程法因其能够提供更丰富的波场信息而得到了更加广泛的应用。基于波动方程的数值模拟按照算法不同又分为有限差分法、伪谱法、有限元法及谱元法等，其中有限差分法是最为流行的方法之一[1]。文章采用地震波数值模拟的最常用的波动方程有限差分法正演模拟对下二叠统的储层特征进行了正演影响因素分析实验。 2 基本原理 3 储层正演影响因素分析 在研究区范围内，栖霞组以深灰色厚层状石灰岩为主，含泥质条带及薄层，具灰黑色生物碎屑灰岩、藻灰岩、藻团粒灰岩互层。栖霞组与下伏梁山组黑色含煤岩系及上覆茅口组浅灰色块状灰岩均为整合接触。结合区域地质认识、地震、钻井、测井资料及已有研究成果，建立如图1所示的正演模型。茅口组整体发育大套灰岩，在茅口组底部普遍性发育的一套泥灰岩，由于物性差异较大，对实验结果影响较大。模型仅在透镜体一侧设计了一定厚度的泥灰岩，从实验结果中可以得到效果对比。储层发育在栖霞组上部，储层厚度透镜状变化由中间70米向两侧逐渐减薄，直至储层不发育。在下伏地层中，梁山组黑色含煤系地层虽然很薄（十米左右），但地震波阻抗差异更大，同样不可忽视。 根据上述建立的地质-地球物理正演模型，选用接近实际地震资料的子波进行正演实验。实验选用了30Hz理论Puzirov子波和Riker子波两种不同子波，其中，Puzirov子波波形与Riker子波波形相似均为零相位子波，但旁瓣能量较弱并且能量延续时间较短，具有更高的分辨率。两种不同子波模型正演结果分别如图2所示，图2a是选用30Hz Puzirov子波的结果，图2b则是同一频率常用的Riker 子波的正演结果。总体而言，选用Puzirov子波的正演剖面中，波形信息更加丰富，具有更高的分辨率。在细节刻画方面，图2a中随着储层厚度增大，储层顶 利用有限差分法分析电磁场边界问题 在一个电磁系统中，电场和磁场的计算对于完成该系统的有效设计师极端重要的。例如，在系统中，用一种绝缘材料是导体相互隔离是，就要保证电场强度低于绝缘介质的击穿强度。在磁力开关中，所要求的磁场强弱，应能产生足够大的力来驱动开关。在发射系统中进行天线的有效设计时，关于天线周围介质中电磁场分布的知识显然有实质性的意义。 为了分析电磁场，我们可以从问题所涉及的数学公式入手。依据电磁系统的特性，拉普拉斯方程和泊松方程只能适合于描述静态和准静态（低频）运行条件下的情况。但是，在高频应用中，则必须在时域或频域中求解波动方程，以做到准确地预测电场和磁场，在任何情况下，满足边界条件的一个或多个偏微分方程的解，因此，计算电池系统内部和周围的电场和磁场都是必要的。 对电磁场理论而言，计算电磁场可以为其研究提供进行复杂的数值及解析运算的方法，手段和计算结果；而电磁场理论则为计算电磁场问题提供了电磁规律，数学方程，进而验证计算结果。常用的计算电磁场边值问题的方法主要有两大类，其每一类又包含若干种方法，第一类是解析法；第二类是数值法。对于那些具有最简单的边界条件和几何形状规则的（如矩形、圆形等）问题，可用分离变量法和镜像法求电磁场边值问题的解析解（精确解），但是在许多实际问题中往往由于边界条件过于复杂而无法求得解析解。在这种情况下，一般借助于数值法求解电磁场的数值解。 有限差分法，微分方程和积分微分方程数值解的方法。基本思想是把连续的定解区域用有限个离散点构成的网络来代替，这些离散点称作网格的节点；把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似；把原方程和定解条件中的微商用差商来近似，积分用积分和来近似，于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组，即有限差分方程组，解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解。然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。 差分运算的基本概念： 有限差分法是指用差分来近似取代微分，从而将微分方程离散成为差分方程组。于是求解边值问题即转换成为求解矩阵方程[5]。 对单元函数 ()x f而言，取变量x的一个增量x?=h，则函数()x f的增量可以表示为 ()x f? = ()h x f+-()x f 称为函数()x f 的差分或一阶差分。函数增量还经常表示为 ()x f? = ? ? ? ? ? + 2 h x f - ? ? ? ? ? - 2 h x f 地震波数值模拟方法研究综述 在地学领域，对于许多地球物理问题，人们已经得到了它应遵循的基本方程(常微分方程或偏微分方程)和相应的定解条件，但能用解析方法求得精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析解。这类问题的解决通常有两种途径。一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的解答。但这种方法只是在有限的情况下是可行的，过多的简化可能导致很大的误差甚至错误的解答。因此人们多年来寻找和发展了另一种求解方法——数值模拟方法。 地震数值模拟(SeismicNumericalModeling)是地震勘探和地震学的基础，同时也是地震反演的基础。所谓地震数值模拟，就是在假定地下介质结构模型和相应的物理参数已知的情况下，模拟研究地震波在地下各种介质中的传播规律，并计算在地面或地下各观测点所观测到的数值地震记录的一种地震模拟方法。地震波场数值模拟是研究复杂地区地震资料采集、处理和解释的有效辅助手段，这种地震数值模拟方法已经在地震勘探和天然地震领域中得到广泛应用。 地震数值模拟的发展非常迅速，现在已经有各种各样的地震数值模拟方法在地震勘探和地震学中得到广泛而有效 的应用。这些地震波场数值模拟方法可以归纳为三大类，即几何射线法、积分方程法和波动方程法。波动方程数值模拟方法实质上是求解地震波动方程，因此模拟的地震波场包含了地震波传播的所有信息，但其计算速度相对于几何射线法要慢。几何射线法也就是射线追踪法，属于几何地震学方法，由于它将地震波波动理论简化为射线理论，主要考虑的是地震波传播的运动学特征，缺少地震波的动力学信息，因此该方法计算速度快。因为波动方程模拟包含了丰富的波动信息，为研究地震波的传播机理和复杂地层的解释提供了更多的佐证，所以波动方程数值模拟方法一直在地震模拟中占有重要地位。 1地震波数值模拟的理论基础 地震波数值模拟是在已知地下介质结构的情况下，研究地震波在地下各种介质中传播规律的一种地震模拟方法，其理论基础就是表征地震波在地下各种介质中传播的地震波传播理论。上述三类地震波数值模拟方法相应的地震波传播理论的数学物理表达方式不尽相同。射线追踪法是建立在以射线理论为基础的波动方程高频近似理论基础上的，其数学表形式为程函方程和传输方程。积分方程法是建立在以惠更斯原理为基础的波叠加原理基础上的，其数学表达形式为波动方程的格林函数域积分方程表达式和边界积分方程表达式。波 数学物理方程--有限 差分法 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 数学物理方法课程报告题目：声波有限差分法数值模拟 学生姓名：xxx 学号：xxx 学院：地球科学与技术学院 专业班级：xxxx 教师：xxx 2016年 4月12日 声波有限差分法数值模拟 Xxx （地球科学与技术学院研15级 学号：xxx ） 摘要：数值模拟是最常用的正演模拟的方法。它通过给出的结构模型和物理参数， 模拟地震波的传播轨迹，了解其规律以及过程，然后通过计算来推断观测点的地震记录。根据求解方法，地震波方程数值解法可分为有限元法、伪谱法、有限差分法。根据本门课程的要求，并且有限差分法具有内存占用较小，精度较高等优点，本文 主要采用这种方法进行模拟。 关键词：数值模拟，声波，有限差分 正文 1、 引言 在勘探过程中，数值模拟的作用很大。例如：1、采集上，可用于设计或者优化野外观测系统；2、处理上，可以通过数值模拟来检验是否采用了正确的反演方法。将正演反演不断的逼近，从而使结果更加准确；3、解释上，还可以检测一下解释的资料是否正确。 而有限差分法是数值模拟最常用的方法，本文利用有限差分法，通过对声波进行正演模拟，来了解其在地下的传播规律及特点。 2、 二维各向同性介质声波方程数值模拟 使用规则网格差分对二阶方程进行求解。 具体过程： 在x 方向上，关于0x 对称分布的2N 个网格节点的坐标分别为x q x N ?-0， x q x N ?--10，……，x q x ?-10，x q x ?+10，……x q x N ?+-10，x q x N ?+0。其 中，x ?表示节点间的最小间距；i q 表示任意正整数。2N 个网格节点所对应的函 数值已知，分别为()x q x f N ?-0，()x q x f N ?--10，……，()x q x f ?-10， ()x q x f ?+10……，()x q x f N ?+-10，()x q x f N ?+0。利用Taylor 级数展开求解 ()x f 在点0x 处的一阶导数近似值。 ()()()()()()()()()()()()()[]120220220100! 21 ! 21 +?+?+ +?+ ?+=?+N i N N i i i i x q O x f x q N x f x q x f x q x f x q x f ()()()()()()()()()()()()()[ ] 120220220100! 21 ! 21 +?+?+ +?+ ?-=?-N i N N i i i i x q O x f x q N x f x q x f x q x f x q x f 其中，i=1,2，…，N 将上述两式相加，省略式中的误差项，得到 ()()()[]()()()()()()()()()()022*********! 21 !41!21221 x f x q N x f x q x f x q x q x f x f x q x f N N i i i i i ?+ +?+?=?-+-?+ (1) 将相减后得到的式子整理成矩阵形式，有 ()()()()()()()()()()()()()()()()()()()???? 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误范围差: 510-=ε 计算：迭代次数N ，j i ,?，将计算结果保存到文件中 二、实验思想 有限差分法 有限差分法（Finite Differential Method ）是基于差分原理的一种数值计算法。其基本思想：将场域离散为许多小网格，应用差分原理，将求解连续函数?的泊松方程的问题转换为求解网格节点上? =?= V 100 ? 0 =?0 =? 的差分方程组的问题。 泊松方程的五点差分格式 )(4 1 4243210204321Fh Fh -+++=?=-+++?????????? 当场域中,0=ρ得到拉普拉斯方程的五点差分格式 )(4 1 044321004321??????????+++=?=-+++ 差分方程组的求解方法(1) 高斯——赛德尔迭代法 ][)(,)(,)(,)(,)(,2 k 1j i k j 1i 1k 1j i 1k j 1i 1k j i Fh 4 1 -+++=+++-+-+????? (1-14) 式中：??????=??????=,2,1,0,2,1,k j i ， ? 迭代顺序可按先行后列，或先列后行进行。 ? 迭代过程遇到边界节点时，代入边界值或边界差分 格式，直到所有节点电位满足ε??<-+)(,)(,k j i l k j i 为止。 （2）超松弛迭代法 ][) (,)(,)(,)(,)(,)(,)(,k j i 2k 1j i k j 1i 1k 1j i 1k j 1i k j i 1k j i 4Fh 4 ?????α??--++++=+++-+-+ (1-15) 式中：α——加速收敛因子)21(<<α 可见：迭代收敛的速度与α有明显关系 三、程序源代码 #include 数学物理方法课程报告题目：声波有限差分法数值模拟 学生姓名：ｘxx 学号：xｘx 学院:地球科学与技术学院 专业班级：ｘxxｘ 教师：xｘｘ ２016年 4月1２日 声波有限差分法数值模拟 Xxx （地球科学与技术学院研15级 学号：x ｘx ） 摘要:数值模拟是最常用的正演模拟的方法。它通过给出的结构模型和物理参数，模拟 地震波的传播轨迹,了解其规律以及过程，然后通过计算来推断观测点的地震记录。根据求解方法，地震波方程数值解法可分为有限元法、伪谱法、有限差分法。根据本门课程的要求，并且有限差分法具有内存占用较小，精度较高等优点,本文主要采用这种方法进 行模拟。 关键词：数值模拟,声波,有限差分 正文 1、 引言 在勘探过程中,数值模拟的作用很大.例如:１、采集上,可用于设计或者优化野外观测系统；２、处理上,可以通过数值模拟来检验是否采用了正确的反演方法。将正演反演不断的逼近,从而使结果更加准确;3、解释上,还可以检测一下解释的资料是否正确。 而有限差分法是数值模拟最常用的方法，本文利用有限差分法，通过对声波进行正演模拟，来了解其在地下的传播规律及特点。 2、 二维各向同性介质声波方程数值模拟 使用规则网格差分对二阶方程进行求解。 具体过程: 在x 方向上，关于0x 对称分布的2N 个网格节点的坐标分别为x q x N ?-0， x q x N ?--10,……,x q x ?-10，x q x ?+10,……x q x N ?+-10,x q x N ?+0.其 中，x ?表示节点间的最小间距；i q 表示任意正整数.2N 个网格节点所对应的函 数值已知，分别为()x q x f N ?-0，()x q x f N ?--10，……，()x q x f ?-10， ()x q x f ?+10……,()x q x f N ?+-10，()x q x f N ?+0.利用Ｔaylor 级数展开求解 ()x f 在点0x 处的一阶导数近似值。 ()()()()()()()()()()()()()[] 120220220100! 21 ! 21 +?+?+ +?+ ?+=?+N i N N i i i i x q O x f x q N x f x q x f x q x f x q x f ()()()()()()()()()()()()()[] 120220220100! 21 ! 21 +?+?+ +?+ ?-=?-N i N N i i i i x q O x f x q N x f x q x f x q x f x q x f 其中,i=1，2，…，N 将上述两式相加,省略式中的误差项，得到 ()()()[]()()()()()()()()()()022*********! 21 !41!21221 x f x q N x f x q x f x q x q x f x f x q x f N N i i i i i ?+ +?+?=?-+-?+ (１） 将相减后得到的式子整理成矩阵形式,有 ()()()()()()()()()()()()()()()()()()()???? ? ????????-+-?+?-+-?+?-+-?+?=?? ?????? ?????????????????????????? ?-x q x f x f x q x f x q x f x f x q x f x q x f x f x q x f x x f x N x f x x f q q q q q q q q q N N N N N N N N N N 000200201001020222042 0224 2224 2222141 2 122221!21!41! 21 (２) 为了简化矩阵，可以记作 ??? ??? ? ???????=N N N N N N q q q q q q q q q A 242224222 214 1 21 ，()()()()()()()()()()???? ? ? ???????-+-?+?-+-?+?-+-?+?=x q x f x f x q x f x q x f x f x q x f x q x f x f x q x f x D N N 00020020100102 22221 同时，构造两个简单矩阵,辅助计算 数值模拟软件大全 GEO-SLOPE Offical WebSite: www. geo-slope. com SLOPE/W: 专业的边坡稳定性分析软件, 全球岩土工程界首 选的稳定性分析软件 SEEP/W: 专业的地下渗流分析软件, 第一款全面处理非饱和土体渗流问题的商业化软件 SIGMA/W: 专业的岩土工程应力应变分析软件, 完全基于土(岩)体本构关系建立的专业有限元软件 QUAKE/W: 专业的地震应力应变分析软件, 线性、非线性土体的水平向与竖向耦合动态响应分析软件 TEMP/W: 专业的温度场改变分析软件, 首款最具权威、涵盖范围广泛的地热分析软件 CTRAN/W: 专业的污染物扩散过程分析软件, 超值实用、最具性价比的地下水环境土工软件 AIR/W:专业的空气流动分析软件, 首款处理地下水-空气-热相互作用的专业岩土软件 VADOSE/W: 专业的模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及地下水对某个区或对象的影响分析软件, 设计理论相当完善和全面的环境土工设计软件 Seep3D(三维渗流分析软件)是GeoStudio2007专门针对工程结构中的真实三维渗流问题, 而开发的一个专业软件, Seep3D软件将强大的交互式三维设计引入饱和、非饱和地下水的建模中, 使用户可以迅速分析各种各样的地下水渗流问题. 特点:GeoStudio其实就是从鼎鼎大名的GEO-SLOPE发展起来的, 以边坡分析出名, 扩展到整个岩土工程范围, 基于. NET平台开发的新一代岩土工程仿真分析软件, 尤其是VADOSE/W模块是极具前瞻性的, 环境岩土工程分析的利器. 遗憾的是其模块几乎都只提供平面分析功能. Rocscience Offical WebSite: www. rocscience. com Rocscience 软件的二维和三维分析主要应用在岩土工程和 采矿领域, 该软件使岩土工程师可以对岩质和土质的地表 和地下结构进行快速、准确地分析, 提高了工程的安全性并 减少设计成本. Rocscience 软件对于岩土工程分 析和设计都很方便, 可以帮助工程师们得到快速、正确的解答. Rocscience 软件对于用户最新的项目都有高效的解算结果, 软件操作界面是基于WINDOWS 系统的交互式界面. Rocscience 软件自带了基于CAD 的绘图操作界面, 可以随意输入多种格式的数据进行建模, 用户可以快速定义模型的材料属性、边界条件等, 进行计算得到自己期望的结果. Rocscience 软件包括以下十三种专业分析模块: Slide 二维边坡稳定分析模块 数学物理方法课程报告 题目:声波有限差分法数值模拟 学生姓名:xxx 学号:xxx 学院:地球科学与技术学院 专业班级:xxxx 教师:xxx 2016年 4月12日 声波有限差分法数值模拟 Xxx (地球科学与技术学院研15级学号:xxx) 摘要:数值模拟就是最常用的正演模拟的方法。它通过给出的结构模型与物理参数,模拟地震波的传播轨迹,了解其规律以及过程,然后通过计算来推断观测点的地震记录。根据求解方法,地震波方程数值解法可分为有限元法、伪谱法、有限差分法。根据本门课程的要求,并且有限差分法具有内存占用较小,精度较高等优点,本文主要采用这种方法进行模拟。关键词:数值模拟,声波,有限差分 正文 1、引言 在勘探过程中,数值模拟的作用很大。例如:1、采集上,可用于设计或者优化 野外观测系统;2、处理上,可以通过数值模拟来检验就是否采用了正确的反演方法。将正演反演不断的逼近,从而使结果更加准确;3、解释上,还可以检测一下解释的资料就是否正确。 而有限差分法就是数值模拟最常用的方法,本文利用有限差分法,通过对声波进行正演模拟,来了解其在地下的传播规律及特点。 2、 二维各向同性介质声波方程数值模拟 使用规则网格差分对二阶方程进行求解。 具体过程: 在x 方向上,关于0x 对称分布的2N 个网格节点的坐标分别为x q x N ?-0, x q x N ?--10,……,x q x ?-10,x q x ?+10,……x q x N ?+-10,x q x N ?+0。其 中,x ?表示节点间的最小间距;i q 表示任意正整数。2N 个网格节点所对应的函 数值已知,分别为()x q x f N ?-0,()x q x f N ?--10,……,()x q x f ?-10, ()x q x f ?+10……,()x q x f N ?+-10,()x q x f N ?+0。利用Taylor 级数展开求解 ()x f 在点0x 处的一阶导数近似值。 ()()()()()()()()()()()()()[]120220220100! 21 ! 21 +?+?+ +?+ ?+=?+N i N N i i i i x q O x f x q N x f x q x f x q x f x q x f ()()()()()()()()()()()()()[ ] 120220220100! 21 ! 21 +?+?+ +?+ ?-=?-N i N N i i i i x q O x f x q N x f x q x f x q x f x q x f 其中,i=1,2,…,N 将上述两式相加,省略式中的误差项,得到 ()()()[]()()()()()()()()()()022*********! 21 !41!21221 x f x q N x f x q x f x q x q x f x f x q x f N N i i i i i ?+ +?+?=?-+-?+ (1) 将相减后得到的式子整理成矩阵形式,有电磁场与电磁波实验有限差分法
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