Файл: Ufimtsev P. Fundamentals of the physical theory of diffraction (Wiley 2007)(348s) PEo .pdf
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13.1 Acoustic Waves 273
13.1.2 Backscattering Produced by the Nonuniform Component j (1)
There are three types of nonuniform components j(1) of the scattering sources on a finite cylinder. The edge/fringe component jfr(1) concentrates near the edges. The component jcr(1) associated with creeping waves concentrates near the shadow boundary on the cylindrical part of the object and exponentially attenuates away from this boundary. The third component jdif(1) is caused by the transverse diffusion of the wave field between the adjacent rays reflected from the cylindrical surface. This component jdif(1) exists on the illuminated part of the cylindrical surface away from the shadow boundary. Among these components of j(1), a main contribution to the backscattering is provided by the fringe component jfr(1) and this contribution is investigated here. Notice also that the field generated by jdif(1) is comparable with that produced by jfr(1), but this situation occurs only in the direction of the specular rays reflected from the cylindrical surface. This topic is considered in the next chapter.
First we analyze the field generated by the fringe component located near the left
'
edge (z = −l, x2 + y2 = a). According to Equation (8.3) it is determined as
(1)left |
= u0 |
a |
i2kl cos ϑ eikR |
2π |
(1) |
(ϕ )e |
i2ka sin ϑ sin ϕ |
|
. |
|
||
us,h |
|
e |
|
|
|
Fs,h |
|
dϕ |
(13.16) |
|||
2π |
|
R |
0 |
|
In the direction ϑ = π , functions Fs,h(1) transform into functions f (1) and g(1) as shown in Equations (7.120) and (7.121). Recall that these functions are defined in Section 4.1. Hence for this direction,
us(1)left |
|
f (1) |
|
eikR |
|
|
|
uh(1)left |
|
= u0a g(1) |
e−i2kl |
|
, |
(ϑ = π ). |
(13.17) |
R |
|||||||
For other directions ϑ , which satisfy the condition 2ka sin ϑ |
1, the integral |
in Equation (13.16) is evaluated asymptotically by the stationary-phase technique. There are two stationary points (ϕst,1 = π/2 and ϕst,2 = 3π/2) in the integrand of Equation (13.16). At these points, functions Fs,h(1) also transform into functions f (1) and g(1). The resulting asymptotic approximations for the field (13.16) are given as
(1)left |
|
a |
i2kl cos ϑ eikR |
1 |
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|||||||
us |
= u0 |
|
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e |
|
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√ |
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||
2 |
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R |
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||||||||||
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|
π ka sin ϑ |
|
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|||||||||
|
× [ f (1)(1)ei2ka sin ϑ −iπ/4 + f (1)(2)e−i2ka sin ϑ +iπ/4] |
(13.18) |
|||||||||||
and |
|
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(1)left |
= u0 |
a |
i2kl cos ϑ eikR |
1 |
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|
|||||||
uh |
|
e |
|
|
|
√ |
|
|
|
||||
2 |
|
R |
|
||||||||||
|
|
π ka sin ϑ |
|
|
|||||||||
|
× |
[g(1)(1)ei2ka sin ϑ −iπ/4 + g(1)(2)e−i2ka sin ϑ +iπ/4]. |
(13.19) |
TEAM LinG
13.1 Acoustic Waves 275
expression is extended to all directions π/2 < ϑ < π and provides the following approximations to the field (13.24):
us(1)right = u0 |
a |
f (1)(3) |
[J0(2ka sin ϑ ) − iJ1(2ka sin ϑ )]e−i2kl cos ϑ |
|
eikR |
|
(13.26) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
R |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and |
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a |
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eikR |
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||||||||||
uh(1)right = u0 |
|
|
g(1)(3) [J0(2ka sin ϑ ) |
− iJ1(2ka sin ϑ )]e−i2kl cos ϑ |
|
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. |
(13.27) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
R |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thus, in the first approximation, the total field produced by the component |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
jfr(1) equals |
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a eikR |
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||||||||||||||
us(1) |
= u0 |
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0f (1)(1) [J0(2ka sin ϑ ) + iJ1(2ka sin ϑ )]ei2kl cos ϑ |
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2 |
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R |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
+ [ f (1)(2)ei2kl cos ϑ + f (1)(3)e−i2kl cos ϑ ][J0(2ka sin ϑ ) − iJ1(2ka sin ϑ )] , |
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(13.28) |
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1 |
|
and |
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a eikR |
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||||||||||||
uh(1) |
= u0 |
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0g(1)(1) [J0(2ka sin ϑ ) + iJ1(2ka sin ϑ )]ei2kl cos ϑ |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
R |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
+ [g(1)(2)ei2kl cos ϑ + g(1)(3)e−i2kl cos ϑ ][J0(2ka sin ϑ ) − iJ1(2ka sin ϑ )] . |
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(13.29) |
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1 |
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The functions f (1) and g(1) are determined according to Section 4.1 as |
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sin |
π |
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|||||||
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1 |
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1 |
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1 |
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cos ϑ |
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f (1)(1) |
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|
n |
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, |
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(13.30) |
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π |
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|||||||||||||||
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|
= |
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|
|
n |
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|
|
cos |
|
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1 |
− cos |
|
π |
|
cos |
π − 2ϑ |
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+ |
2 sin ϑ |
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|
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n − |
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|
− |
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n |
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n |
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|||
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sin |
π |
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1 |
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1 |
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1 |
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cos ϑ |
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g(1)(1) |
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n |
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, |
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(13.31) |
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π |
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|
= |
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|
n |
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|
cos |
|
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|
|
1 |
+ cos |
|
π |
|
cos |
π − 2ϑ |
|
|
− |
2 sin ϑ |
|
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|
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n − |
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|
− |
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n |
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|||||||||||||||
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n |
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||||||||||
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|||
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sin |
π |
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||||||
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|
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|
|
|
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|
1 |
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|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 cos ϑ |
|
|
|
1 sin ϑ |
||||||||||||||||||||||
f (1)(2) |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||
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, |
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π |
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π |
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2ϑ |
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||||||||
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|
= |
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|
n |
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|
cos |
|
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|
− 1 |
− cos |
|
|
− cos |
|
|
|
− |
2 sin ϑ − |
|
2 cos ϑ |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
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|
n |
n |
|
|
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(13.32) |
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sin |
π |
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1 |
|
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|
1 |
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1 |
|
cos ϑ |
|
|
|
1 sin ϑ |
|||||||||||||||||||||
g(1)(2) |
|
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|
|
n |
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π |
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π |
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2ϑ |
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= |
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n |
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
+ cos |
|
|
− cos |
|
|
|
+ |
2 sin ϑ + |
|
2 cos ϑ |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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(13.33) |
TEAM LinG
276 Chapter 13 |
|
|
Backscattering at a Finite-Length Cylinder |
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|||||||||||||||||||||||
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|
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
sin ϑ |
|
|
|
||||||||
f (1)(3) |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(13.34) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
− |
|
|
|
|
|
n − |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
− cos |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
and |
|
n |
|
|
|
cos |
|
|
|
|
1 |
|
π |
|
|
cos |
π + 2ϑ |
|
|
|
|
|
2 cos ϑ |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
sin ϑ |
|
|
||||||||||
g(1)(3) |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(13.35) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
− |
|
|
|
|
|
n − |
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
+ cos |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
n |
|
|
|
cos |
|
|
|
1 |
π |
|
cos |
π + 2ϑ |
|
|
|
|
2 cos ϑ |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
with n = 3/2.
Although certain terms in these functions are singular in the directions ϑ = π/2 and ϑ = π , these singularities always cancel each other, and the functions f (1), g(1) remain finite. In the direction ϑ = π/2 they have the values
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
π |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
f (1)(1) = 0, |
|
|
|
f (1)(2) = f (1)(3) = |
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
+ |
|
cot |
(13.36) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
cos |
π |
|
− 1 |
2n |
|
n |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
1 |
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
π |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
g(1)(1) = |
n |
|
|
|
|
n |
|
g(1)(2) = g(1)(3) = |
|
|
|
n |
|
|
|
|
n |
|
− |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
cot |
|
, (13.37) |
||||||||||||||||||||
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
2n |
n |
|||||||||||||||||||||
cos |
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
and in the direction ϑ = π they are determined as
|
|
|
|
|
|
|
1 |
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
f (1)(1) = f (1)(2) = |
|
|
n |
|
|
|
n |
|
|
+ |
|
cot |
, |
|
|
|
|
f (1)(3) = 0 |
|
|
|
|
|
(13.38) |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
cos |
π |
− 1 |
2n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
sin |
|
π |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
g(1)(1) = g(1)(2) = |
n |
|
n |
|
|
− |
|
|
|
|
|
g(1)(3) = |
|
n |
|
n |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
cot |
|
, |
|
|
|
|
|
|
. |
(13.39) |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
π |
|
|
|
|
2n |
n |
|
|
|
|
|
π |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
cos |
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
− 1 |
|
|||||||||||||||||
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|||||||||||||||||||||||||
We also obtain the expressions for the functions f (1)(4) and g(1)(4) related to the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
stationary point 4 (Fig. 13.1), which |
becomes visible in the directions ϑ |
= |
π/2 and |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
ϑ = π . For both directions, functions f |
|
|
(4) and g |
|
(4) have the same values, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
f (1)(4) = 0 |
|
|
and |
|
|
|
g(1)(4) = |
n |
|
n |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(13.40) |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
As the contribution from point 4 equals zero for the soft cylinder, the approximation (13.28) can be used in the entire region π/2 ≤ ϑ ≤ π . In the case of
TEAM LinG