Файл: Ufimtsev P. Fundamentals of the physical theory of diffraction (Wiley 2007)(348s) PEo .pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.06.2024

Просмотров: 973

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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 eikζ cos γ0 eikξ1 cos2 γ0

× −eikξ1 sin

2

 

eπ/4

 

2

2

 

,

 

γ0 cos ϕ0

 

 

·

 

sin γ0 cos

ϕ0

eit dt + eikξ1 sin

 

γ0 cos ϕ0

 

 

π

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

2

 

 

(7.155)

and

j(0)

jhp

=

2u

0

eikζ cos γ0 eikξ1 cos2 γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× ik sin

γ0 sin ϕ0 eik

ξ1 sin

2

γ0 cos ϕ0

eiπ/4

·

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin γ0 cos

ϕ0

eit dt

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eiπ/4 eikξ1 sin2 γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

+

 

k

 

ϕ0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ik sin γ0 sin ϕ0 eikξ1 sin

 

γ0 cos ϕ0

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

ξ1

 

 

 

 

(7.156)

TEAM LinG


200 Chapter 7 Elementary Acoustic and Electromagnetic Edge Waves

The last terms in these equations (together with the factor 2 in front of the brackets) relate to the sum of the incident and reflected plane waves. When ϕ0 π , these equations transform into

jh(0) = u0 eikζ cos γ0 eikξ1

 

(7.157)

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

js(0) = u0 eikζ cos γ0

 

2k

π/4),

 

 

 

ei(kξ1

(7.158)

 

π ξ1

where jh(0) is actually the grazing incident wave, and js(0) represents the edge wave. The quantities jh,s(0) on strip 2 (of the half-plane ϕ = α) can be found from Equations (7.157) and (7.158) with the replacement of ϕ0 by α ϕ0 and ξ1 by ξ2.

The new nonuniform components jh,s(1) are defined as the difference between the total scattering source jh,s (induced on the wedge faces) and the uniform component jh,s(0) jh,shp (induced on the tangential half-planes). These nonuniform components are determined by Equations (7.12) and (7.13), where one should replace

αw(η + ψ ) by αw(η + ψ ) − 2π whp+ ψ )

(7.159)

with

 

whp(x) = 1 − eix/2.

(7.160)

The field generated by the new component jh,s(1) is found with a procedure completely similar to that described in Sections 7.3 to 7.5. The associated field integrals are defined by Equations (7.44) and (7.45), where one should apply the replacement (7.159). It is worth noting that now the contribution to these integrals caused by the residues at the poles η = ±ϕ0 is equal to zero. The field of EEWs found in this way can be represented again in the form of Equations (7.89) and (7.90), with the new functions Fh,s(1):

 

dζ

eikR

 

duh(1) = uinc(ζ )

 

Fh(1), ϕ)

 

,

2π

R

 

dζ

eikR

 

dus(1) = uinc(ζ )

 

Fs(1), ϕ)

 

,

2π

R

and

Fh(1), ϕ) = {[−Vt 1, ϕ0) + Vthp1, ϕ0)] sin ϕ + [−Vt 2, α ϕ0) + ε(α ϕ0)Vthp2, α ϕ0)] sinϕ)} sin γ0 sin ϑ ,

Fs(1) = {[−Ut 1, ϕ0) + Uthp1, ϕ0)]

(7.161)

(7.162)

(7.163)

+ [−Ut 2, α ϕ0) + ε(α ϕ0)Uthp2, α ϕ0)]} sin2 γ0. (7.164)

TEAM LinG


2n

 

 

 

 

 

 

7.9 Improved Theory of Elementary Edge Waves

201

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V hp

, ψ )

=

 

 

1

 

 

cot

σ + ψ

+

cot

σ ψ

,

(7.165)

4 sin2

γ0 sin σ

 

 

 

t

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

Uhp

, ψ )

=

 

1

 

cot

 

σ + ψ

cot

σ ψ

 

.

 

(7.166)

t

 

4 sin2

γ0

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

For the directions of the diffraction cone (ϑ = π γ0), functions (7.163) and (7.164) can be represented in the form

 

 

 

 

 

Fh(1)γ0, ϕ) = g(ϕ, ϕ0, α) ghp, ϕ0)

 

 

(7.167)

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fs(1)γ0, ϕ) = f (ϕ, ϕ0, α) f hp, ϕ0),

 

 

(7.168)

where f and g are the Sommerfeld functions (2.62) and (2.64), and

 

 

 

 

 

 

 

1

cot

 

π

ϕ

ϕ

0

 

 

 

 

 

ϕ

 

+

ϕ

0

 

 

 

 

 

ghp, ϕ0) = −

 

 

 

 

 

 

 

 

+ cot

π

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

4

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

4

2α

 

 

 

 

ε(α

 

 

ϕ

)

1

cot

π

+ ϕ

ϕ0

 

cot

π

 

ϕ + ϕ0

 

, (7.169)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

cot

π

 

ϕ

ϕ

0

 

 

 

 

 

π

ϕ

 

ϕ

0

 

 

 

 

 

 

f hp, ϕ0) =

 

 

 

 

 

 

 

− cot

 

+

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

4

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

0

 

4

 

 

 

 

 

 

+ 4

 

 

 

 

 

 

 

4

2α

 

 

 

 

ε(α

 

 

ϕ

)

1

cot

π

ϕ

ϕ0

 

cot

π

 

ϕ + ϕ0

 

(7.170)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

cot

π

ϕ

 

 

 

ϕ

0

 

 

 

 

 

π

ϕ

 

 

 

 

ϕ

0

 

g(ϕ, ϕ0, α) = −

 

 

 

 

+ cot

 

 

+

 

 

 

2n

 

2n

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π +

ϕ

 

ϕ

0

 

 

 

 

 

 

π

+

 

ϕ

 

 

ϕ

0

 

 

 

 

 

 

+ cot

+

 

 

+ cot

 

 

 

 

 

 

 

(7.171)

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

cot

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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,

 

 

(1)

γ0, π

ϕ0) = −

1

cot

 

ϕ0

+

 

1

 

cot

 

ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fh

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

n

 

 

4

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

cot

 

 

 

π ϕ0

 

 

 

 

 

ε(α

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

)

1

 

 

 

cot

π ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

cot

 

 

 

α π

 

 

 

 

 

 

ε(α

 

 

 

 

 

ϕ

)

 

1

cot

 

α π

,

 

(7.173)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε(α

 

 

ϕ

)

1

cot

α π

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.174)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

γ

, 2α

π

ϕ

)

= −

1

cot

 

ϕ0 π )

 

 

+

 

1

 

cot

ϕ0 π )

 

 

 

Fh

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

1

 

cot

 

 

 

α π

 

 

 

 

1

cot

α π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

cot

 

 

 

α ϕ0

 

+

 

 

1

cot

α ϕ0

,

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.175)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

γ

, 2α

π

γ

)

= −

1

cot

ϕ0 π )

 

+

 

 

1

cot

ϕ0 π )

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

Fs

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

cot

 

 

 

 

α π

 

+

 

 

1

cot

α π

 

 

 

 

 

1

cot

α ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

1

cot

α ϕ0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.176)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)

γ0, 0) = Fh(1)

1

 

π

+

1

 

 

 

α

 

γ0, α) = −

 

cot

 

 

tan

 

 

(7.177)

n

n

4

2

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fs(1)γ0, 0) = Fs(1)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

TEAM LinG