Lineare hyperbolische partielle Differentialgleichungen in homogenen Medien, beispielsweise die Wellengleichung, die die Ausbreitung und die Streuung akustischer Wellen beschreibt, können im Zeitbereich mit Hilfe von Randintegralgleichungen formuliert werden. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit stellen wir eine effiziente Möglichkeit vor, numerische Approximationen solcher Gleichungen zu implementieren, wenn das Huygens-Prinzip nicht gilt. Wir nutzen die Faltungsquadraturmethode für die Zeitdiskretisierung und eine Galerkin-Randelement-Methode für die Raumdiskretisierung. Mit der Faltungsquadraturmethode geht eine diskrete Faltung der Faltungsgewichte mit der Randdichte einher. Bei Gültigkeit des Huygens-Prinzips konvergieren die Gewichte exponentiell gegen null, sofern der Index hinreichend groß ist. Im gegenteiligen Fall, das heißt bei geraden Raumdimensionen oder wenn Dämpfungseffekte auftreten, kann kein Verschwinden der Gewichte beobachtet werden. Das führt zu Schwierigkeiten bei der effizienten numerischen Behandlung. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit zeigen wir, dass die Kerne der Faltungsgewichte in gewisser Weise die Fundamentallösung im Zeitbereich approximieren und dass dies auch zutrifft, wenn beide bezüglich der räumlichen Variablen abgeleitet werden. Da die Fundamentallösung zudem für genügend große Zeiten, etwa nachdem die Wellenfront vorbeigezogen ist, glatt ist, schließen wir Gleiches auch in Bezug auf die Faltungsgewichte, die wir folglich mit hoher Genauigkeit und wenigen Interpolationspunkten interpolieren können. Darüber hinaus weisen wir darauf hin, dass zur weiteren Einsparung von Speicherkapazitäten, insbesondere bei Langzeitexperimenten, der von Schädle et al. entwickelte schnelle Faltungsalgorithmus eingesetzt werden kann. Wir diskutieren eine effiziente Implementierung des Problems und zeigen Ergebnisse eines numerischen Langzeitexperimentes. Im zweiten Hauptteil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Transmissionsproblemen der Wellengleichung im Freiraum. Solche Probleme werden gewöhnlich derart behandelt, dass der Freiraum, wenn nötig durch Einführen eines künstlichen Randes, in ein unbeschränktes Außengebiet und ein beschränktes Innengebiet geteilt wird mit dem Ziel, eventuelle Inhomogenitäten oder Nichtlinearitäten des Materials vollständig im Innengebiet zu konzentrieren. Wir werden eine Lösungsstrategie vorstellen, die es erlaubt, die aus der Teilung resultierenden Teilprobleme so weit wie möglich unabhängig voneinander zu behandeln. Die Kopplung der Teilprobleme erfolgt über Transmissionsbedingungen, die auf dem ihnen gemeinsamen Rand vorgegeben sind. Wir diskutieren ein Kopplungsverfahren, das auf verschiedene Diskretisierungsschemata für das Innen- und das Außengebiet zurückgreift. Wir werden insbesondere ein explizites Verfahren im Innengebiet einsetzen, im Gegensatz zum Außengebiet, bei dem wir ein auf ein Mehrschrittverfahren beruhendes Faltungsquadraturverfahren nutzen. Die Kopplung erfolgt nach der Strategie von Johnson und Nédélec, bei der die direkte Randintegralmethode zum Einsatz kommt. Diese Strategie führt auf ein unsymmetrische System. Wir analysieren das diskrete Problem hinsichtlich Stabilität und Konvergenz und unterstreichen die Einsatzfähigkeit des Kopplungsalgorithmus mit der Durchführung numerischer Experimente.

Lineare hyperbolische partielle Differentialgleichungen in homogenen Medien, beispielsweise die Wellengleichung, die die Ausbreitung und die Streuung akustischer Wellen beschreibt, können im Zeitbereich mit Hilfe von Randintegralgleichungen formuliert werden. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit stellen wir eine effiziente Möglichkeit vor, numerische Approximationen solcher Gleichungen zu implementieren, wenn das Huygens-Prinzip nicht gilt. Wir nutzen die Faltungsquadraturmethode für die Zeitdiskretisierung und eine Galerkin-Randelement-Methode für die Raumdiskretisierung. Mit der Faltungsquadraturmethode geht eine diskrete Faltung der Faltungsgewichte mit der Randdichte einher. Bei Gültigkeit des Huygens-Prinzips konvergieren die Gewichte exponentiell gegen null, sofern der Index hinreichend groß ist. Im gegenteiligen Fall, das heißt bei geraden Raumdimensionen oder wenn Dämpfungseffekte auftreten, kann kein Verschwinden der Gewichte beobachtet werden. Das führt zu Schwierigkeiten bei der effizienten numerischen Behandlung. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit zeigen wir, dass die Kerne der Faltungsgewichte in gewisser Weise die Fundamentallösung im Zeitbereich approximieren und dass dies auch zutrifft, wenn beide bezüglich der räumlichen Variablen abgeleitet werden. Da die Fundamentallösung zudem für genügend große Zeiten, etwa nachdem die Wellenfront vorbeigezogen ist, glatt ist, schließen wir Gleiches auch in Bezug auf die Faltungsgewichte, die wir folglich mit hoher Genauigkeit und wenigen Interpolationspunkten interpolieren können. Darüber hinaus weisen wir darauf hin, dass zur weiteren Einsparung von Speicherkapazitäten, insbesondere bei Langzeitexperimenten, der von Schädle et al. entwickelte schnelle Faltungsalgorithmus eingesetzt werden kann. Wir diskutieren eine effiziente Implementierung des Problems und zeigen Ergebnisse eines numerischen Langzeitexperimentes. Im zweiten Hauptteil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Transmissionsproblemen der Wellengleichung im Freiraum. Solche Probleme werden gewöhnlich derart behandelt, dass der Freiraum, wenn nötig durch Einführen eines künstlichen Randes, in ein unbeschränktes Außengebiet und ein beschränktes Innengebiet geteilt wird mit dem Ziel, eventuelle Inhomogenitäten oder Nichtlinearitäten des Materials vollständig im Innengebiet zu konzentrieren. Wir werden eine Lösungsstrategie vorstellen, die es erlaubt, die aus der Teilung resultierenden Teilprobleme so weit wie möglich unabhängig voneinander zu behandeln. Die Kopplung der Teilprobleme erfolgt über Transmissionsbedingungen, die auf dem ihnen gemeinsamen Rand vorgegeben sind. Wir diskutieren ein Kopplungsverfahren, das auf verschiedene Diskretisierungsschemata für das Innen- und das Außengebiet zurückgreift. Wir werden insbesondere ein explizites Verfahren im Innengebiet einsetzen, im Gegensatz zum Außengebiet, bei dem wir ein auf ein Mehrschrittverfahren beruhendes Faltungsquadraturverfahren nutzen. Die Kopplung erfolgt nach der Strategie von Johnson und Nédélec, bei der die direkte Randintegralmethode zum Einsatz kommt. Diese Strategie führt auf ein unsymmetrische System. Wir analysieren das diskrete Problem hinsichtlich Stabilität und Konvergenz und unterstreichen die Einsatzfähigkeit des Kopplungsalgorithmus mit der Durchführung numerischer Experimente.

This work addresses the question of the efficient numerical solution of time-domain boundary integral equations with retarded potentials arising in the problems of acoustic and electromagnetic scattering. The convolutional form of the time-domain boundary operators allows to discretize them with the help of Runge-Kutta convolution quadrature. This method combines Laplace-transform and time-stepping approaches and requires the explicit form of the fundamental solution only in the Laplace domain to be known. Recent numerical and analytical studies revealed excellent properties of Runge-Kutta convolution quadrature, e.g. high convergence order, stability, low dissipation and dispersion. As a model problem, we consider the wave scattering in three dimensions. The convolution quadrature discretization of the indirect formulation for the three-dimensional wave equation leads to the lower triangular Toeplitz system of equations. Each entry of this system is a boundary integral operator with a kernel defined by convolution quadrature. In this work we develop an efficient method of almost linear complexity for the solution of this system based on the existing recursive algorithm. The latter requires the construction of many discretizations of the Helmholtz boundary single layer operator for a wide range of complex wavenumbers. This leads to two main problems: the need to construct many dense matrices and to evaluate many singular and near-singular integrals. The first problem is overcome by the use of data-sparse techniques, namely, the high-frequency fast multipole method (HF FMM) and H-matrices. The applicability of both techniques for the discretization of the Helmholtz boundary single-layer operators with complex wavenumbers is analyzed. It is shown that the presence of decay can favorably affect the length of the fast multipole expansions and thus reduce the matrix-vector multiplication times. The performance of H-matrices and the HF FMM is compared for a range of complex wavenumbers, and the strategy to choose between two techniques is suggested. The second problem, namely, the assembly of many singular and nearly-singular integrals, is solved by the use of the Huygens principle. In this work we prove that kernels of the boundary integral operators $w_n^h(d)$ ($h$ is the time step and $t_n=nh$ is the time) exhibit exponential decay outside of the neighborhood of $d=nh$ (this is the consequence of the Huygens principle). The size of the support of these kernels for fixed $h$ increases with $n$ as $n^a,a<1$, where $a$ depends on the order of the Runge-Kutta method and is (typically) smaller for Runge-Kutta methods of higher order. Numerical experiments demonstrate that theoretically predicted values of $a$ are quite close to optimal. In the work it is shown how this property can be used in the recursive algorithm to construct only a few matrices with the near-field, while for the rest of the matrices the far-field only is assembled. The resulting method allows to solve the three-dimensional wave scattering problem with asymptotically almost linear complexity. The efficiency of the approach is confirmed by extensive numerical experiments.

This work addresses the question of the efficient numerical solution of time-domain boundary integral equations with retarded potentials arising in the problems of acoustic and electromagnetic scattering. The convolutional form of the time-domain boundary operators allows to discretize them with the help of Runge-Kutta convolution quadrature. This method combines Laplace-transform and time-stepping approaches and requires the explicit form of the fundamental solution only in the Laplace domain to be known. Recent numerical and analytical studies revealed excellent properties of Runge-Kutta convolution quadrature, e.g. high convergence order, stability, low dissipation and dispersion. As a model problem, we consider the wave scattering in three dimensions. The convolution quadrature discretization of the indirect formulation for the three-dimensional wave equation leads to the lower triangular Toeplitz system of equations. Each entry of this system is a boundary integral operator with a kernel defined by convolution quadrature. In this work we develop an efficient method of almost linear complexity for the solution of this system based on the existing recursive algorithm. The latter requires the construction of many discretizations of the Helmholtz boundary single layer operator for a wide range of complex wavenumbers. This leads to two main problems: the need to construct many dense matrices and to evaluate many singular and near-singular integrals. The first problem is overcome by the use of data-sparse techniques, namely, the high-frequency fast multipole method (HF FMM) and H-matrices. The applicability of both techniques for the discretization of the Helmholtz boundary single-layer operators with complex wavenumbers is analyzed. It is shown that the presence of decay can favorably affect the length of the fast multipole expansions and thus reduce the matrix-vector multiplication times. The performance of H-matrices and the HF FMM is compared for a range of complex wavenumbers, and the strategy to choose between two techniques is suggested. The second problem, namely, the assembly of many singular and nearly-singular integrals, is solved by the use of the Huygens principle. In this work we prove that kernels of the boundary integral operators $w_n^h(d)$ ($h$ is the time step and $t_n=nh$ is the time) exhibit exponential decay outside of the neighborhood of $d=nh$ (this is the consequence of the Huygens principle). The size of the support of these kernels for fixed $h$ increases with $n$ as $n^a,a<1$, where $a$ depends on the order of the Runge-Kutta method and is (typically) smaller for Runge-Kutta methods of higher order. Numerical experiments demonstrate that theoretically predicted values of $a$ are quite close to optimal. In the work it is shown how this property can be used in the recursive algorithm to construct only a few matrices with the near-field, while for the rest of the matrices the far-field only is assembled. The resulting method allows to solve the three-dimensional wave scattering problem with asymptotically almost linear complexity. The efficiency of the approach is confirmed by extensive numerical experiments.