This article propose a generalized shape optimization method for transient coupled acoustic–mechanical interaction problems. The transient problem formulation allows to optimize for a broadband frequency content and the possibility to investigate transient phenomena such as pulse shaping. Throughout the work, the geometry is defined with the help of a nodal‐based design field, for which its zero‐level contour describes the interface between acoustic and structural domains. The approach utilizes a fixed background mesh to represent the geometry and a cut element immersed boundary method for the physical modeling. This modeling approach provides accurate solutions to the strongly coupled governing equations based on a special integration scheme. The optimization problem is solved using a gradient‐based optimizer and employs a fully discrete adjoint approach for calculating the sensitivity information. A numerical examination on the accuracy of the sensitivity analysis compares the fully discrete gradients to the commonly used semidiscrete adjoint approach for transient optimization revealing the importance of consistent sensitivities. The transient design formulation is validated on a 2D benchmark problem concerning the design of a time‐harmonic acoustic partitioner. The developed framework is then applied for the design of vibroacoustic pulse shaping devices to demonstrate control of a transient phenomena.

中文翻译：

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使用切割元素的瞬态振动声波问题的广义形状优化

本文提出了一种用于瞬态耦合声-机械相互作用问题的广义形状优化方法。瞬态问题的提法可以优化宽带频率内容，并可以研究瞬态现象，例如脉冲整形。在整个工作过程中，借助基于节点的设计字段定义了几何，其零级轮廓描述了声学和结构域之间的界面。该方法利用固定的背景网格来表示几何形状，并使用切入元素浸入边界方法进行物理建模。这种建模方法基于特殊的积分方案为强耦合控制方程提供了精确的解决方案。使用基于梯度的优化器解决了优化问题，并采用了完全离散的伴随方法来计算灵敏度信息。对灵敏度分析的准确性进行的数值检验将完全离散的梯度与常用的半离散伴随方法进行了瞬态优化，从而揭示了保持一致灵敏度的重要性。瞬态设计公式在涉及时谐声分区器设计的二维基准问题上得到了验证。然后将开发的框架应用于振动声脉冲整形设备的设计，以演示对瞬态现象的控制。对灵敏度分析的准确性进行的数值检验将完全离散的梯度与常用的半离散伴随方法进行了瞬态优化，从而揭示了保持一致灵敏度的重要性。瞬态设计公式在涉及时谐声分区器设计的二维基准问题上得到了验证。然后将开发的框架应用于振动声脉冲整形设备的设计，以演示对瞬态现象的控制。对灵敏度分析的准确性进行的数值检验将完全离散的梯度与常用的半离散伴随方法进行了瞬态优化，从而揭示了保持一致灵敏度的重要性。瞬态设计公式在涉及时谐声分区器设计的二维基准问题上得到了验证。然后将开发的框架应用于振动声脉冲整形设备的设计，以演示对瞬态现象的控制。