用Python进行波形模拟

Question

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我想模拟三维空间中一些物体上的吸收和反射的传播波。我想使用Python完成。我应该使用numpy吗？是否有一些特殊的库可以使用？

如何模拟波？我可以使用波动方程吗？但是如果有反射怎么办？有没有更好的方法？我应该使用向量吗？但当光线分散时，强度会降低。很困难。

提前致谢。

- kame

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先选择一个算法，然后再咨询如何在Python中实现。 - Paulo Scardine

4个回答

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如果您正在解决3D自定义偏微分方程，我建议您至少看一下FiPy。它可以节省您从头开始构建许多矩阵条件器和求解器的麻烦。它使用numpy和/或trilinos。这里有一些示例。

- Paul

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我建议您使用我的项目GarlicSim作为构建模拟的框架。您仍然需要自己编写算法，可能是在Numpy中进行，但GarlicSim可以帮助您节省大量样板代码，并允许您以灵活的方式探索模拟结果，类似于版本控制系统。

- Ram Rachum

-5

不要使用Python。我曾尝试将其用于计算密集型任务，但它并不适合这种情况。

如果你必须在Python程序中模拟波形，请使用C/C++编写必要的代码，并将其导出到Python。
这里是C API的链接：http://docs.python.org/c-api/
请注意，这并不是世界上最简单的API :)

- x10

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NumPy非常适合计算密集型任务。 - ptomato

好的，我想我不一定非得用Python:/ - kame

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-1是因为Python有广泛使用的科学库，如numpy/scipy。还可以看看其他优化Python代码的方法，比如cython、psyco。最后，使用高效的算法即可;) - Andrea Spadaccini

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@Andrea Spadaccini，别忘了Weave！:-D（它虽然在scipy中，但值得明确提到） - fortran

对于偏微分方程，NumPy和C / Fortran等之间将简单地保持数量级差异。目前尚未有人展示出反例，但如果您有，请随时向我展示。 - Vladimir F Героям слава

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可以查看英文原文，
原文链接

- ptomato · Accepted Answer

如果您在Python中进行任何计算密集型的数值模拟，您应该绝对使用NumPy。

模拟任意形状材料中电磁波的最一般算法是有限差分时域方法（FDTD）。它逐个时间步骤地在3D晶格上解决波动方程。虽然它很复杂，但你可能最好使用一个专用软件包，如Meep。

有关如何编写自己的FDTD模拟的书籍:这里有一本, 这里有一份1-D FDTD代码和超过1个维度的解释文档，并且在谷歌搜索"writing FDTD"将找到更多类似内容。

你也可以通过假设所有的波都是平面波来解决问题，使用向量和菲涅耳方程。或者，如果你想模拟从平面或曲面反射和折射高斯光束，你可以使用ABCD矩阵形式（也称为射线传输矩阵）。这将考虑到光束的发散性。