Файл: Ufimtsev P. Fundamentals of the physical theory of diffraction (Wiley 2007)(348s) PEo .pdf
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7.9 Improved Theory of Elementary Edge Waves 199
Figure 7.9 Grazing incidence on the wedge with ϕ0 = π and grazing scattering in the direction ϕ = 0. No singularity exists in the reverse situation, when ϕ0 = 0 and ϕ = π .
definitions (1.31) and (7.7), (7.8) for uniform and nonuniform components are not adequate for the actual surface field in this case. In particular, component jh(1) does not vanish away from the edge, but instead it contains a plane wave there. Besides, component jh(0) includes the absent reflected wave.
To remove the grazing singularity we introduce, in the following, new definitions for components j(0) and j(1), which are more appropriate, when the incident wave illuminates both faces of the edge and propagates in the direction close to the face orientation.
7.9.1 Acoustic EEWs
This theory is based on the paper by Ufimtsev (2006a).
The appropriate candidate for a new definition of jh,s(0) is the field jh,shp induced by the incident wave on the illuminated side of the tangential half-plane. On strip 1 (Fig. 7.3)
of the half-plane ϕ = 0, these components are determined as
jh(0) ≡ jhhp = 2u0 e−ikζ cos γ0 eikξ1 cos2 γ0
× −e−ikξ1 sin |
2 |
|
e−π/4 |
|
∞ |
2 |
2 |
|
, |
|||||
|
γ0 cos ϕ0 |
√ |
|
|
· |
√ |
|
sin γ0 cos |
ϕ0 |
eit dt + e−ikξ1 sin |
|
γ0 cos ϕ0 |
||
|
|
π |
|
|
||||||||||
|
|
|
2kξ1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
2 |
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|
(7.155)
and
j(0) |
≡ |
jhp |
= |
2u |
0 |
e−ikζ cos γ0 eikξ1 cos2 γ0 |
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|||||||||||||
s |
s |
|
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|||
|
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|
|
× ik sin |
γ0 sin ϕ0 e−ik |
ξ1 sin |
2 |
γ0 cos ϕ0 |
e−iπ/4 |
· |
∞ |
|
2 |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
√ |
|
|
√ |
|
sin γ0 cos |
ϕ0 |
eit dt |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
|
|
|
π |
|||||||||||||||||||||||||
|
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|
2kξ1 |
||||||||||||||||
|
|
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|
2 |
||||||||||||||||
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e−iπ/4 eikξ1 sin2 γ0 |
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|
. |
|||||||||||
|
|
|
|
+ |
|
k |
|
ϕ0 |
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|
2 |
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|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
√ |
|
|
|
|
√ |
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|
− ik sin γ0 sin ϕ0 e−ikξ1 sin |
|
γ0 cos ϕ0 |
|||||||||||||
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|
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2 |
2 |
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|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
ξ1 |
|
|
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(7.156)
TEAM LinG
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|
7.9 Improved Theory of Elementary Edge Waves |
201 |
||||||||||||||
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|
designation (7.48). Functions V |
, U |
t |
||||||||
Here, we assume that 0 ≤ ϕ0 ≤ π and utilize the hp |
|
|
hp |
|
|
t |
|
||||||||||||||
are defined in Equations (7.87) and (7.85), but Vt |
and Ut |
are the similar functions |
|||||||||||||||||||
associated with the tangential half-plane: |
|
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|||||||||
V hp |
(σ , ψ ) |
= |
|
|
1 |
|
|
cot |
σ + ψ |
+ |
cot |
σ − ψ |
, |
(7.165) |
|||||||
4 sin2 |
γ0 sin σ |
|
|
|
|||||||||||||||||
t |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
||||||||
Uhp |
(σ , ψ ) |
= |
|
1 |
|
cot |
|
σ + ψ |
− |
cot |
σ − ψ |
|
. |
|
(7.166) |
||||||
t |
|
4 sin2 |
γ0 |
|
4 |
|
|
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|
4 |
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|
For the directions of the diffraction cone (ϑ = π − γ0), functions (7.163) and (7.164) can be represented in the form
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|
Fh(1)(π − γ0, ϕ) = g(ϕ, ϕ0, α) − ghp(ϕ, ϕ0) |
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(7.167) |
|||||||||||||||||||||||||||
and |
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Fs(1)(π − γ0, ϕ) = f (ϕ, ϕ0, α) − f hp(ϕ, ϕ0), |
|
|
(7.168) |
|||||||||||||||||||||||||||
where f and g are the Sommerfeld functions (2.62) and (2.64), and |
|
|
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1 |
cot |
|
π |
− |
ϕ |
− |
ϕ |
0 |
|
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|
|
ϕ |
|
+ |
ϕ |
0 |
|
|
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|
|
||||||||
ghp(ϕ, ϕ0) = − |
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|
+ cot |
π − |
|
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|||||||||||||||||
4 |
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|
4 |
|
|
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|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|||||||||||||
|
− |
|
|
− |
|
0 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
4 |
2α |
||||||
|
|
|
|
ε(α |
|
|
ϕ |
) |
1 |
cot |
π |
+ ϕ − |
ϕ0 |
|
cot |
π |
|
ϕ + ϕ0 |
|
, (7.169) |
|||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||
|
1 |
|
cot |
π |
|
ϕ |
− |
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
π |
ϕ |
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
f hp(ϕ, ϕ0) = |
|
|
|
|
|
− |
|
|
− cot |
|
− |
+ |
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||
4 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
+ |
|
− |
|
|
|||||||||||||||||
|
− |
|
|
− |
|
0 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
+ 4 − |
|
− |
|
|
|
|
|
|
4 |
2α |
||||||||||
|
|
|
|
ε(α |
|
|
ϕ |
) |
1 |
cot |
π |
ϕ |
ϕ0 |
|
cot |
π |
|
ϕ + ϕ0 |
|
(7.170) |
|||||||||||||||
|
|
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|
are the functions associated with the field scattered by the tangential half-planes. Notice also that for analytic analysis and numeric calculation, the cotangent forms
of functions f and g are more convenient than the Sommerfeld expressions (2.62) and
(2.64). These forms are determined as |
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|||||||||
|
1 |
cot |
π − |
ϕ |
|
|
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
π |
− |
ϕ |
|
|
|
|
ϕ |
0 |
|
||||||||||||||
g(ϕ, ϕ0, α) = − |
|
|
− |
|
|
+ cot |
|
|
+ |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
2n |
|
2n |
|
|
|
|
|
|
2n |
|
|
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|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
π + |
ϕ |
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
|
π |
+ |
|
ϕ |
|
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
+ cot |
+ |
|
|
+ cot |
|
|
− |
|
|
|
|
|
(7.171) |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
2n |
|
|
|
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|
|
|||||||||||||||||||||
and |
|
|
|
cot |
|
|
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|
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|||
|
1 |
|
π |
− |
ϕ |
|
|
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
π |
− |
ϕ |
|
|
|
ϕ |
0 |
|
|
|||||||||||||
f (ϕ, ϕ0, α) = |
|
|
|
|
|
− |
|
|
− cot |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
2n |
|
|
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
π |
+ |
ϕ |
|
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
|
π + ϕ − ϕ0 |
, |
|
||||||||||||||||
|
+ cot |
|
+ |
|
|
− cot |
(7.172) |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2n |
|
|
|
|
with n = α/π .
TEAM LinG
202 Chapter 7 |
Elementary Acoustic and Electromagnetic Edge Waves |
Functions f , |
g and f hp, ghp are singular in the directions of the incident |
and reflected plane waves (ϕ = π + ϕ0, ϕ = π − ϕ0, ϕ = 2α − π − ϕ0), but their difference is finite. For instance,
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|
(1) |
(π − γ0, π |
− ϕ0) = − |
1 |
cot |
|
ϕ0 |
+ |
|
1 |
|
cot |
|
ϕ0 |
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Fh |
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
2n |
|
|
|
|
n |
|
|
4 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
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|
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|
1 |
|
cot |
|
|
|
π − ϕ0 |
|
|
|
|
|
ε(α |
|
|
|
|
|
|
ϕ |
|
) |
1 |
|
|
|
cot |
π − ϕ0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
− |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
0 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
cot |
|
|
|
α − π |
|
|
|
|
|
|
ε(α |
|
|
|
|
|
ϕ |
) |
|
1 |
cot |
|
α − π |
, |
|
(7.173) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(1) |
(π |
− |
γ |
, π |
− |
ϕ |
) |
= − |
1 |
cot |
|
ϕ0 |
|
+ |
|
1 |
cot |
ϕ0 |
− |
|
1 |
|
|
cot |
π − ϕ0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Fs |
|
|
|
0 |
|
|
0 |
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε(α |
|
|
ϕ |
) |
1 |
cot |
π − ϕ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
cot |
α − π |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
− |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
− |
0 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε(α |
|
|
ϕ |
) |
1 |
cot |
α − π |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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(7.174) |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||
(1) |
(π |
− |
γ |
, 2α |
− |
π |
− |
ϕ |
) |
= − |
1 |
cot |
|
ϕ0 − (α − π ) |
|
|
+ |
|
1 |
|
cot |
ϕ0 − (α − π ) |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fh |
2n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
1 |
|
cot |
|
|
|
α − π |
|
|
|
− |
|
1 |
cot |
α − π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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2n |
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4 |
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n |
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2 |
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− |
|
1 |
|
cot |
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α − ϕ0 |
|
+ |
|
|
1 |
cot |
α − ϕ0 |
, |
|
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(7.175) |
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2n |
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4 |
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n |
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2 |
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and |
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(1)(π |
− |
γ |
, 2α |
− |
π |
− |
γ |
) |
= − |
1 |
cot |
ϕ0 − (α − π ) |
|
+ |
|
|
1 |
cot |
ϕ0 − (α − π ) |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2n |
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4 |
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Fs |
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0 |
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|
|
0 |
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n |
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2 |
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− |
|
1 |
|
cot |
|
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α − π |
|
+ |
|
|
1 |
cot |
α − π |
|
|
|
|
− |
|
1 |
cot |
α − ϕ0 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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2n |
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4 |
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|
n |
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|
|
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|
|
|
|
|
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|
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|
2 |
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2n |
n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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|
+ |
1 |
cot |
α − ϕ0 |
. |
|
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(7.176) |
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4 |
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2 |
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F(1)
These equations clearly show that functions h,s are free from the grazing singularity. Indeed, for the grazing directions of the incident wave (ϕ0 = π , ϕ0 = α − π ), these functions have the finite values
Fh(1) |
(π − γ0, 0) = Fh(1) |
1 |
|
π |
+ |
1 |
|
|
|
α |
|
|||
(π − γ0, α) = − |
|
cot |
|
|
tan |
|
|
(7.177) |
||||||
n |
n |
4 |
2 |
|||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fs(1)(π − γ0, 0) = Fs(1)(π − γ0, α) = − |
1 |
tan |
α |
. |
(7.178) |
||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
4 |
2 |
It also follows from these equations that functions Fh,s(1) are equal to zero when α = 2π and the wedge transforms into the half-plane. This result is the obvious consequence
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