深度学习~SAP-Net:深度学习预测多孔材料吸声性能

文摘   2025-01-13 21:00   安徽  


摘要

机载吸声系数是研究多孔材料吸声性能或吸声机理的前提。常用的数值计算方法是有限元法,但在处理复杂结构或大量数据时,计算成本相对较高。

另一方面,快速发展的深度学习算法在数据驱动的方式下显示出有效和精确地学习和预测材料参数的良好趋势。我们提出了基于深度卷积神经网络的SAP-net来预测表征多孔材料拓扑结构的输入图像在特定频率下的吸声系数。在6个频率点的fem数据训练下,SAP-net的评估速度为0.007 s/张,预测精度很高,平均绝对误差均小于0.019 (f = 1000 Hz时最小误差为0.008)。同时,SAP-net在预测与训练数据本质上不同的图像时仍然准确,这表明它有能力学习和捕捉将拓扑结构与吸声性能联系起来的潜在物理机制。综上所述,SAP-net为研究吸声性能提供了一种非常快速和准确的方法,有望加快材料的检查和设计过程。

研究亮点



结论

本文提出了基于深度cnn的SAP-net来预测介孔材料的吸声性能。它采用表示隐喻拓扑结构的二值图像,并预测一个特定频率的吸声系数值。总的来说,六个频率点(500 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz, 2000 Hz, 2500 Hz和3000 Hz)的SAP-nets在训练集中使用50,000张图像进行训练。在测试集中对7500张图像进行了测试,所有6个sap -net都显示出出色的预测精度和效率(0.007 s/预测),f = 1000 Hz时最小的MAE = 0.008,其他5个MAE值均小于0.02。同时,对每幅图像的6个预测值,计算其均值、标准差及其和。86.97%和99%的图像的和值分别小于0.05和0.1,SAPnet在500 Hz到3000 Hz的频率范围内再次证明了其良好的预测精度和稳定性。由于训练集中的图像与测试集中的图像本质上不同,因此预测精度高表明SAP-net能够学习和捕获拓扑结构如何影响吸声性能的基本物理机制。令人高兴的是,这对于低频(例如500hz)和高频(例如3000hz)都是正确的,当机制可能有所不同时。SAP-net提供了一个极其有效的为研究机载吸声提供了一种便捷而精确的工具,同时也为加速材料的检测和设计提供了一种新方法。

未来的工作涉及如何将所有感兴趣的频率点组合到一个sap网络中,并允许用一组神经网络权值预测完整的吸声曲线。

此外,这项工作构成了逆向设计网络的重要组成部分。因此,下一步是针对介相材料进行性能材料反设计。

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