<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xml:lang="en" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">Sensors</journal-id>
<journal-title>Sensors</journal-title>
<issn pub-type="epub">1424-8220</issn>
<publisher>
<publisher-name>Molecular Diversity Preservation International (MDPI)</publisher-name></publisher></journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3390/s100605503</article-id>
<article-id pub-id-type="publisher-id">sensors-10-05503</article-id>
<article-categories>
<subj-group>
<subject>Article</subject></subj-group></article-categories>
<title-group>
<article-title>Studies of Scattering, Reflectivity, and Transmitivity in WBAN Channel: Feasibility of Using UWB</article-title></title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Kabir</surname><given-names>Md. Humaun</given-names></name></contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Ashrafuzzaman</surname><given-names>Kazi</given-names></name></contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Chowdhury</surname><given-names>M. Sanaullah</given-names></name></contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Kwak</surname><given-names>Kyung Sup</given-names></name><xref ref-type="corresp" rid="c1-sensors-10-05503">*</xref></contrib>
<aff id="af1-sensors-10-05503">Graduate School of IT &amp; Telecommunication Engineering, Inha University, Yonghyun-Dong 253, Nam-Gu, Incheon 402-751, Korea; E-Mails: <email>hakim2021@yahoo.com</email> (M.H.K); <email>ashraf@cu.ac.bd</email> (K.A.); <email>sana1691@yahoo.com</email> (M.S.C.)</aff></contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="c1-sensors-10-05503">
<label>*</label>Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: <email>kskwak@inha.ac.kr</email>; Tel.: +82-10-8698-4688; Fax: +82-032-876-7349.</corresp></author-notes>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2010</year></pub-date>
<pub-date pub-type="epub">
<day>2</day>
<month>6</month>
<year>2010</year></pub-date>
<volume>10</volume>
<issue>6</issue>
<fpage>5503</fpage>
<lpage>5529</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>9</day>
<month>4</month>
<year>2010</year></date>
<date date-type="rev-recd">
<day>20</day>
<month>5</month>
<year>2010</year></date>
<date date-type="accepted">
<day>21</day>
<month>5</month>
<year>2010</year></date></history>
<permissions>
<copyright-statement>© 2010 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland.</copyright-statement>
<copyright-year>2010</copyright-year>
<license>
<p>This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution license (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/).</p></license></permissions>
<abstract>
<p>The Wireless Personal Area Network (WPAN) is one of the fledging paradigms that the next generation of wireless systems is sprouting towards. Among them, a more specific category is the Wireless Body Area Network (WBAN) used for health monitoring. On the other hand, Ultra-Wideband (UWB) comes with a number of desirable features at the physical layer for wireless communications. One big challenge in adoption of UWB in WBAN is the fact that signals get attenuated exponentially. Due to the intrinsic structural complexity in human body, electromagnetic waves show a profound variation during propagation through it. The reflection and transmission coefficients of human body are highly dependent upon the dielectric constants as well as upon the frequency. The difference in structural materials such as fat, muscles and blood essentially makes electromagnetic wave attenuation to be different along the way. Thus, a complete characterization of body channel is a challenging task. The connection between attenuation and frequency of the signal makes the investigation of UWB in WBAN an interesting proposition. In this paper, we study analytically the impact of body channels on electromagnetic signal propagation with reference to UWB. In the process, scattering, reflectivity and transmitivity have been addressed with analysis of approximate layer-wise modeling, and with numerical depictions. Pulses with Gaussian profile have been employed in our analysis. It shows that, under reasonable practical approximations, the human body channel can be modeled in layers so as to have the effects of total reflections or total transmissions in certain frequency bands. This could help decide such design issues as antenna characteristics of implant devices for WBAN employing UWB.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>reflection</kwd>
<kwd>transmission</kwd>
<kwd>scattering</kwd>
<kwd>propagator</kwd>
<kwd>attenuation</kwd></kwd-group></article-meta></front>
<body>
<sec sec-type="intro">
<label>1.</label>
<title>Introduction</title>
<p>Wireless Body Area Networks (WBANs) have attracted interest in recent years because of a number of promising applications—specifically, in the field of health monitoring. Like everyday attire, in a WBAN, several small nodes are placed directly in, on or around the human body. Since WBAN nodes acquire their power from rechargeable batteries or by energy harvesting, it is essential that they be extremely energy-efficient [<xref ref-type="bibr" rid="b1-sensors-10-05503">1</xref>]. Above and beyond the energy efficiency, the nodes are meant to be of low complexity to keep costs down, among other things. On the other hand, Ultra-Wideband (UWB) communication is a transmission technology that comes with such promises as low-power consumption [<xref ref-type="bibr" rid="b2-sensors-10-05503">2</xref>], interference robustness [<xref ref-type="bibr" rid="b3-sensors-10-05503">3</xref>], high local capacity [<xref ref-type="bibr" rid="b4-sensors-10-05503">4</xref>], and less complex hardware, most of which are highly desirable for WBANs [<xref ref-type="bibr" rid="b5-sensors-10-05503">5</xref>]. One key concern in this regard is about signal attenuation which occurs exponentially with frequency. This leads to the need to study electromagnetic propagation across human body as medium, with consideration for UWB signal as it relates to communication system parameters for implant devices. Particularly, Impulse-Radio (IR) [<xref ref-type="bibr" rid="b6-sensors-10-05503">6</xref>] transmission appears to be well suited to reduce complexity, since major parts of narrowband communication systems such as mixers, RF (Radio Frequency) oscillators, or Phase-Locked Loops (PLLs) can be omitted in IR systems [<xref ref-type="bibr" rid="b7-sensors-10-05503">7</xref>]. In order to accomplish the requirements mentioned above as they relate to energy efficiency and complexity reduction, the distinct behavior of the propagation channel has to be taken into account. For WBANs, this has to do with identification of the effects of propagation on or around the body. Unlike conventional wireless channels, a human body is rather complex in structure. Electromagnetic waves show a profound variation during propagation through human body as the reflection and transmission coefficients are highly dependent upon the dielectric constants [<xref ref-type="bibr" rid="b10-sensors-10-05503">10</xref>], in addition to the frequency. Therefore, it is a challenging task to make a complete characterization of the human body channel. Due to the differences in structural materials such as fat, muscles, blood etc., electromagnetic wave attenuation is different across the different parts of the body. The higher the frequency, the more attenuation takes place, which limits the use of high frequency or UWB in WBAN. In this manuscript, we analyze the impact of the body channel on the signals in different frequency bands. Scattering, reflectivity, and transmitivity have been studied with analysis of approximate layer-wise modeling, and with relevant numerical rendering. Pulses, having Gaussian profile, have been used in our analysis. We illustrate that the body channel can be mathematically modeled as composed of layers, with total reflection and total transmission of the signal in certain frequency bands, so as to approximate the propagation effect. The rest of this paper is organized as follows: the whole mathematical model for wave propagation in biological media, scattering, reflection, and anti-reflection by single layer is given in Section 2; Section 3 describes numerical results and concluding remarks are given in Section 4.</p></sec>
<sec>
<label>2.</label>
<title>Mathematical Model</title>
<sec>
<label>2.1.</label>
<title>Wave Propagation through Biological Media</title>
<p>From the <xref ref-type="app" rid="app1">appendix A</xref>, if the incident wave is a linearly polarized uniform plane wave travelling along the z-direction, then, for <bold><italic>E</italic></bold> and <bold><italic>H</italic></bold>, <xref ref-type="disp-formula" rid="FDA9">Equation (A.9)</xref> is of the form:
<disp-formula id="FD1">
<label>(1)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>β</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD2">
<label>(2)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>β</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>E<sub>i</sub></italic> = <italic>ηH<sub>i</sub></italic></p>
<p>The intrinsic impedance of biological material <italic>η</italic> is given by:
<disp-formula id="FD3">
<label>(3)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>0.378</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The Pointing Vector, that is, the power flowing per unit area of cross section (W/m<sup>2</sup>), gives the power density associated with an EM wave:
<disp-formula id="FD4">
<label>(4)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>For a uniform plane wave, time-average power flow is given by:
<disp-formula id="FD5">
<label>(5)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The permittivity and frequency may also determine how far the EM wave penetrates into the body. The term depth of penetration (<italic>D<sub>p</sub></italic>) usually quantifies this. For objects with homogeneous properties and with RFR incident at right angles to the surface, depth of penetration is defined as the distance at which the power density is decreased by absorption to about 0.13534 of the body’s surface value. However, the magnitude of the electric and the magnetic field reduces by a factor of 0.36788. Depth of penetration is defined as:
<disp-formula id="FD6">
<label>(6)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>α</italic> is the attenuation constant of the material in nepers per meter.</p></sec>
<sec>
<label>2.2.</label>
<title>Scattering, Reflection, and Anti-Reflection</title>
<p>Sensor nodes find a human body, when they are placed, to be layered media. Fat, muscles <italic>etc.</italic> are such independent layers. Signals from wireless sensors in human body experience scattering, reflection, and diffraction by those layers. In <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>, we started with acoustic wave for mathematical formulation and then used these formulae for electromagnetic wave. We have established the basic equations for the wave propagation through the layered media. Now we will use those mathematical equations for calculating some wave properties such as scattering, reflection, and transmission while passing through layered media.</p>
<sec>
<label>2.2.1.</label>
<title>Scattering by a Single Interface</title>
<p>In this section we consider the case in which two homogeneous half-spaces are separated by an interface at <italic>z =</italic> 0 (<xref ref-type="fig" rid="f3-sensors-10-05503">Figure 3</xref>):
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The goal of this section is to analyze the scattering problem in terms of right- and left-going modes (<xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>).</p>
<p>We introduce the local velocities 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and impedances 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the right- and left-going modes defined by:
<disp-formula id="FD7">
<label>(7)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD8">
<label>(8)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>For <italic>j =</italic> 0, 1, the pairs (<italic>A<sub>j</sub></italic>, <italic>B<sub>j</sub></italic>) satisfy the following system in their respective half-spaces:
<disp-formula id="FD9">
<label>(9)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which means that <italic>A<sub>j</sub></italic> (<italic>t</italic>, <italic>z</italic>) is a function of <italic>t</italic> − <italic>z</italic>/<italic>c<sub>j</sub></italic> only, and <italic>B<sub>j</sub></italic> (<italic>t</italic>, <italic>z</italic>) is a function of <italic>t</italic> + <italic>z</italic>/<italic>c<sub>j</sub></italic> only.</p>
<p>We assume that a right-going wave with the time profile <italic>f</italic> is incoming from the left and is partly reflected by the interface. We also assume a radiation condition in the right half-space so that no wave is coming from the right. Assume that <italic>f</italic> is completely supported in (0, ∞). We next introduce two ways to define proper boundary conditions:</p>
<p>(I) We can consider an initial value problem with initial conditions given at some time <italic>t</italic><sub>0</sub> &lt; 0 by:
<disp-formula id="FD10">
<label>(10)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>As shown in the <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>, these initial conditions generate a pure right-going wave whose support at <italic>t = t<sub>0</sub></italic> is in the interval <italic>z</italic> ∈ (−∞, <italic>c</italic><sub>0</sub><italic>t</italic><sub>0</sub>), which lies in the left half-space.</p>
<p>(II) We can consider a point source located at some point <italic>z</italic><sub>0</sub> &lt; 0 and generating a forcing term of the from:
<disp-formula id="FD11">
<label>(11)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>As seen in the <xref ref-type="app" rid="app2">Appendix B</xref>, this point source generates two waves. The left-going wave is propagating into the negative <italic>z</italic>-direction and will never interact with the interface, so we will ignore it. The right-going wave first propagates in the homogeneous left half-space and it eventually interacts with the interface <italic>z =</italic> 0.</p>
<p>In terms of the right- and left-going waves, these two formulations give the same descriptions. We have <italic>A</italic><sub>0</sub> (<italic>t</italic>, <italic>z</italic>) = <italic>f</italic>(<italic>t</italic> − <italic>z</italic>/<italic>c</italic><sub>0</sub>) <italic>for z</italic> &lt; 0, and B<sub>1</sub>(t, z) = 0 for <italic>z</italic> &gt; 0, and consequently, at the interface <italic>z =</italic> 0:
<disp-formula id="FD12">
<label>(12)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Note that the delays introduced in the initial conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="FD10">(10)</xref> and in the forcing term <xref ref-type="disp-formula" rid="FD11">(11)</xref> have been chosen so that the boundary conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="FD12">(12)</xref> have a very simple form.</p>
<p>The pairs (<italic>A</italic><sub>0</sub>, <italic>B</italic><sub>0</sub>) and (<italic>A</italic><sub>1</sub>, <italic>B</italic><sub>1</sub>) are coupled by the jump conditions at <italic>z =</italic> 0 corresponding to the continuity of the velocity and pressure fields:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>which gives:
<disp-formula id="FD13">
<label>(13)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that (<italic>r</italic><sup>(+)</sup>)<sup>2</sup> – (<italic>r</italic><sup>(−)</sup>)<sup>2</sup> = 1. The matrix <bold><italic>J</italic></bold> can be interpreted as a propagator, since it “propagates” the right- and left-going modes from the left side of the interface to the right side. Such a propagator matrix will be called interface propagator in the following.</p>
<p>Taking into account the boundary conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="FD12">(12)</xref> yields:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and solving this equation gives:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>𝒯</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where 𝒭 and 𝒯 are the reflection and transmission coefficients of the interface:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>   </mml:mo>
<mml:mi>𝒯</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>These coefficients satisfy the energy-conservation relation:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>𝒯</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>meaning that the sum of the energies of the reflected and transmitted waves is equal to the energy of the incoming waves. Finally, the complete solution for <italic>z</italic> &lt; 0 in terms of the right- and left-going modes is:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and for <italic>z</italic> &gt; 0:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>𝒯</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using (<xref ref-type="disp-formula" rid="FD7">7</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="FD8">8</xref>) we can obtain the pressure and velocity fields (<xref ref-type="fig" rid="f4-sensors-10-05503">Figure 4</xref>).</p></sec>
<sec>
<label>2.2.2.</label>
<title>Single-Layer Case: Scattering</title>
<p>In this section, we consider the case of a homogeneous slab with thickness L embedded between two homogeneous half-spaces (<xref ref-type="fig" rid="f5-sensors-10-05503">Figure 5</xref>). Three regions can be described as follows:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We introduce the local velocities 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and impedances 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the local right- and left-going modes defined by:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with <italic>j</italic> = 0 for <italic>z</italic> &lt; 0, <italic>j</italic> = 1 for <italic>z</italic> ∈ [0, <italic>L</italic>], and <italic>j</italic> = 2 for <italic>z</italic> = <italic>L</italic>. The boundary conditions correspond to an impinging pulse at the interface <italic>z</italic> = 0 and a radiation condition at <italic>z</italic> = <italic>L</italic><sub>2</sub>:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The propagation <xref ref-type="disp-formula" rid="FD9">equations (9)</xref> in each homogeneous region show that <italic>A<sub>j</sub></italic> is a function of <italic>t</italic> − <italic>z</italic> / <italic>c<sub>j</sub></italic> only and <italic>B<sub>j</sub></italic> is a function of <italic>t</italic> + <italic>z</italic> / <italic>c<sub>j</sub></italic> only. The waves inside the slab [0, L] are therefore of the form:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>while the reflected wave for <italic>z</italic> &lt;0 is of the form:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and the transmitted wave for <italic>z</italic> &gt; <italic>L</italic> is of the form:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We want to indentify the functions <italic>b</italic><sub>0</sub> and <italic>a</italic><sub>2</sub>, which give the shapes of the reflected and transmitted waves.</p></sec>
<sec>
<label>2.2.3.</label>
<title>Single-Layer Case: Reflection and Transmission Coefficients</title>
<p>The unknown functions b<sub>0</sub> and a<sub>2</sub> can be obtained from the continuity conditions for the velocity and pressure at the two interfaces. At <italic>z</italic> = 0, we have:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Similarly, at z = L:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We can write these relations in terms of the functions <italic>a<sub>j</sub></italic>, <italic>b<sub>j</sub></italic> as:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which can be solved to get the reflected and transmitted waves. The situation is more complicated than in the case of a single interface, because of the time delays ±<italic>L</italic>/<italic>c</italic><sub>1</sub>. A convenient and general way to handle these delays is by going to the frequency domain, so that the time shifts are replaced by phase factors. The Fourier transforms of the modes are defined by:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">dt</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">dt</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>They satisfy the interface conditions:
<disp-formula id="FD14">
<label>(14)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where we have used the identity:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">dt</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">ds</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Introducing the frequency-dependent matrix:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>The second equation of <xref ref-type="disp-formula" rid="FD14">(14)</xref> can be written as:
<disp-formula id="FD15">
<label>(15)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The syplectic matrix <bold><italic>Ĵ</italic></bold><sub>1</sub>(<italic>ω</italic>) is a propagator in the frequency domain. It propagates the right- and left-going modes from the right side of the interface 0 to the right side of the interface 1, and it depends on the layer thickness L. Finally, combining the first equation of <xref ref-type="disp-formula" rid="FD14">(14)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD15">(15)</xref>, we obtain the relation:
<disp-formula id="FD16">
<label>(16)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the frequency-dependent syplectic matrix:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>is the overall propagator of the slab. <xref ref-type="disp-formula" rid="FD16">Equation (16)</xref> shows that K̂<sub>0</sub>(ω) propagates the right- and left-going modes from the left side of the interface 0 to the right side of the interface 1. We find explicitly:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>By solving <xref ref-type="disp-formula" rid="FD16">equation (16)</xref>, whose unknowns are <italic>â</italic><sub>2</sub> (<italic>ω</italic>) and <italic>b̂</italic><sub>0</sub> (<italic>ω</italic>) and using the expressions of 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒯</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the frequency-dependent reflection and transmission coefficients are:
<disp-formula id="FD17">
<label>(17)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD18">
<label>(18)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒯</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>using that |<italic>Û</italic>(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> − |<italic>V̂</italic>(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> = 1. Here 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the reflection and transmission coefficients of the two interfaces. The reflection and transmission coefficients of the layer satisfy the energy conservation relation | 𝒭̂ (<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> + | 𝒯̂(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> = 1 for all <italic>ω</italic>, which means that the individual energies of the frequency components of the incoming pulse are preserved by the scattering process. The main qualitative difference between the scattering by a single interface and the scattering by single layer is that the reflection and transmission coefficients in the layer case are frequency-dependent. This frequency dependence originates from interference effects between the waves that are scattered back and forth by the two interfaces of the layer.</p></sec></sec>
<sec>
<label>2.3.</label>
<title>Filtering Property of the Layer</title>
<sec>
<label>2.3.1.</label>
<title>Reflection</title>
<p>Let us consider a layer embedded between two homogeneous half-spaces that have the same material properties, <italic>i.e.</italic>, the situation in which <italic>ρ</italic><sub>2</sub> = <italic>ρ</italic><sub>0</sub> and <italic>K</italic><sub>2</sub> = <italic>K</italic><sub>0</sub>. We then have <italic>R</italic><sub>1</sub> = −<italic>R</italic><sub>0</sub> and <italic>T</italic><sub>1</sub> = <italic>T</italic><sub>0</sub>, which implies that the global reflectivity of the layer can be written as:
<disp-formula id="FD19">
<label>(19)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The reflectivity is periodic with respect to the angular frequency ω with the period <italic>ω<sub>c</sub></italic> = <italic>πc</italic><sub>1</sub>/<italic>L</italic>. As a function of the angular frequency the reflectivity goes from the minimal value:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">min</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">for</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi>ℤ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>to the maximal value:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>𝒭</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">max</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">for</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mi>ℤ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>This shows that for any value of the reflection coefficient <italic>R</italic><sub>0</sub> of a single interface, there exist frequencies that are fully transmitted or fully reflected by the layer. If we consider the case of strong scattering 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>≪</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then the transmitted frequency bands have a width of the order of 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> around the fully transmitted frequencies <italic>kω<sub>c</sub></italic>. Outside of these bands, where total reflection occurs, the typical reflectivity is large, of order 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></sec>
<sec>
<label>2.3.2.</label>
<title>Anti-Reflection</title>
<p>The total transmission phenomenon is also encountered in situations in which the two half-spaces are different. Indeed, consideration of human body part as an ideal, fully-transmitting layer is certainly beyond perfection. In a microscopic or constituent-wise sense, a human body-part, striated muscle for example, iscomposed of water (70.09%), ether-soluble extract (6.60%), crude protein (21.94%), <italic>etc</italic>. [<xref ref-type="bibr" rid="b35-sensors-10-05503">35</xref>]. When one is faced with the task of modeling portions of human body as a medium for electromagnetic (signal) propagation, there are inevitable practical assumptions and approximations to be made. Thinner layers can be considered with more homogeneous characteristics, while for thicker setting with internal variability, the aggregate behavior sums up by and large. Thus a certain part of a human body like muscle or fat, when considered in macroscopic perspective, can be regarded as a continuum, and hence the idea of a planner-layered-medium assumption of human body tissues contextually holds for all practical modeling considerations. Such model could greatly affect related system design pertaining to crucial parameters (antenna and others); for instance, in addition to the frequency and bandwidth employed for the signal, the measurement of the depth of the body at which the transceiver of an implant device would function with acceptable accuracy has a lot to do with such parameters as permittivity, permeability, and impedance of the intermittent layers of body tissues.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="f7-sensors-10-05503">Figure 7</xref> shows a grossly approximated propagation system consisting of three layers: air, human body channel, and a transceiver. Admittedly, finding fully-transmitting or fully-reflecting layers in body-parts is unrealistic, but it is widely adopted practice to model systems using phantoms comprised of components having somewhat homogeneous characteristics, yet closely resembles body-parts in aggregate behavior. In some recent works ([<xref ref-type="bibr" rid="b33-sensors-10-05503">33</xref>] and [<xref ref-type="bibr" rid="b34-sensors-10-05503">34</xref>]) UWB antenna impedance matching has been studied in the context of biomedical implants. We assume that the two homogeneous half spaces (<xref ref-type="fig" rid="f7-sensors-10-05503">Figure 7</xref>) have different impedances <italic>ζ</italic><sub>0</sub> ≠ <italic>ζ</italic><sub>2</sub>, then it is possible to choose the thickness L and the impedance <italic>ζ</italic><sub>1</sub> of the layer so that a given frequency ω will be fully transmitted from one half-space to the other one, which would not be the case in absence of such a layer. From the analysis of the reflectivity function:
<disp-formula id="FD20">
<label>(20)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>One can show that a necessary and sufficient condition for | 𝒭̂(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> to be zero is that 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mtext>cos</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the case <italic>ζ</italic><sub>0</sub> ≠ <italic>ζ</italic><sub>2</sub> this in turn enforces one to choose the impedance of the layer to be 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (so that <italic>R</italic><sub>0</sub> = <italic>R</italic><sub>1</sub>) and the thickness <italic>L</italic> to be chosen so that <italic>ωL</italic>/(π<italic>c</italic><sub>1</sub>) is half an integer (so that cos(2 <italic>ωL</italic>/<italic>c</italic><sub>1</sub>) = −1). Usually the thickness is chosen to be equal to a quarter of the wavelength, meaning <italic>ωL</italic>/(π<italic>c</italic><sub>1</sub>) = ½.</p></sec></sec>
<sec>
<label>2.4.</label>
<title>Path Loss in the Human Body (Near Field Far Field Consideration)</title>
<p>When EM RF waves propagate in freespace, the power received decreases at a rate of (1/<italic>d</italic>)<italic><sup>n</sup></italic>, <italic>n</italic> being the coefficient of pathloss. Other kinds of losses would be fading of signals due to multipath propagation. However, for propagation of EM waves in a lossy medium like human tissue, the losses would be mainly due to absorption of power in the tissue, where it is dissipated as heat. As the tissue medium is lossy and mostly consists of water, the EM waves are attenuated considerably before they reach the receiver. <italic>The Specific Absorption Rate</italic> (SAR) is useful in determining the amount of power lost due to heat dissipation. SAR is defined as power absorbed per unit mass of the tissue [<xref ref-type="bibr" rid="b29-sensors-10-05503">29</xref>]. SAR is a standard measure of how much power is absorbed in the tissue and depends upon <italic>E</italic>- and <italic>H</italic>-field strengths. By determining the average SAR over the entire mass of the tissue between the transmitter and the receiver, we are able to compute the total power lost. SAR in the near field of the transmitting antenna depends mainly on the <italic>H</italic>-field, whereas the SAR in the far field of the transmitting antenna depends mainly on the <italic>E</italic>-field. We use Maxwell’s <italic>E</italic>- and <italic>H</italic>-fields equations for lossy medium to obtain the average SAR of the medium between the transmitting and the receiving antenna in the far field and near field, respectively. WBAN applications involve wireless communications between implanted biosensor nodes inside human body.</p>
<p>These nodes exchange data among themselves and also with the base-station. In general, the system model consists of numerous biosensor nodes placed inside the various parts of the human body surrounded by tissues. In particular, for the development of this model, we consider only one transmitting and one receiving antenna separated by a distance <italic>d</italic>. An elemental short dipole (dipole length_wavelength) in a lossy human tissue medium is considered for this purpose [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>] and is shown in <xref ref-type="fig" rid="f9-sensors-10-05503">Figure 9</xref>. A small area of tissue surrounding the antenna is considered for our analysis. Thus we can safely assume the human tissue under consideration to be a homogeneous medium with no sharp edges, no rough surfaces and having uniform electric and magnetic properties. The received power is assumed to be due only to the power from the transmitter and not from any other source. The space around the radiating antenna is divided into near field and far field regions as shown in <xref ref-type="fig" rid="f10-sensors-10-05503">Figure 10</xref>.</p>
<p>The region of space immediately surrounding the antenna is known as the near field region. The extent of the near field in the case of short dipoles is given by <italic>d</italic><sub>0</sub> = <italic>λ</italic>/2, where <italic>λ</italic> is the wavelength [<xref ref-type="bibr" rid="b30-sensors-10-05503">30</xref>]. In the near field, the <italic>E</italic>- and <italic>H</italic>-field strengths vary rapidly with the distance from the antenna. The far field is the entire region beyond the near field. In the far field region, the <italic>E</italic>- and <italic>H</italic>-field exhibit a plane wave behavior. Power absorbed between the transmitting and receiving antennas can be considered as the sum of power absorbed in near field (<italic>P<sub>NF</sub></italic>) and far field (<italic>P<sub>FF</sub></italic>) regions. The total power absorbed between the two antennas is computed by numerical integration.</p>
<p>Consider an elemental oscillating electric dipole in a lossy medium of conductivity σ (S/m), permittivity <italic>ɛ</italic> (F/m), permeability <italic>μ</italic> (H/m), complex propagation constant γ, complex intrinsic impedance 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>] at frequency <italic>ω</italic>, as shown in <xref ref-type="fig" rid="f8-sensors-10-05503">Figure 8</xref>. The dipole consists of a short conducting wire of length <italic>dl</italic>, terminated in two small conductive spheres or disks. Assume that the current <italic>I</italic> is uniform and varies sinusoidally with time [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>]. The electromagnetic field at a distance ‘<italic>R</italic>’ for an Hertzian dipole is derived from the vector potential <italic>A</italic>, given by [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>]:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">Idl</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>a<sub>z</sub></italic> is the unit vector in the <italic>z</italic>-direction, <italic>γ</italic> is the propagation constant, given by <italic>γ</italic> = <italic>α</italic> + <italic>jβ</italic>; attenuation constant <italic>α</italic> and phase constant <italic>β</italic> is given by as [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>]:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mtext>Neper</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>β</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mtext>rad</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Spherical components of A (<italic>i.e.</italic>, <italic>a<sub>R</sub>A<sub>R</sub> + a<sub>θ</sub>A<sub>θ</sub> + a<sub>φ</sub>A<sub>φ</sub></italic>) are given by <italic>A<sub>R</sub> = A<sub>z</sub>cosθ</italic>, <italic>A<sub>θ</sub> =</italic> −<italic>A<sub>z</sub>singθ</italic> and <italic>A<sub>φ</sub></italic> = 0. The magnetic field intensity <italic>H</italic> and the electric field intensity <italic>E</italic> is given by [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>]:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>μ</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">RA</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Rsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">sin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">RH</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Solving the above magnetic and electric field equations for lossy medium and expressing in terms of complex impedance <italic>η</italic> we get:
<disp-formula id="FD21">
<label>(21)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlcos</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD22">
<label>(22)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FD23">
<label>(23)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<sec>
<label>2.4.1.</label>
<title>Power Absorbed in the Near Field</title>
<p>The SAR in the near field is given by [<xref ref-type="bibr" rid="b31-sensors-10-05503">31</xref>]:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">SAR</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">corr</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>τ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">watts</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Kg</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>ρ</italic> is the density of the medium and <italic>c<sub>corr</sub></italic> is the correction factor to take into account the changed reflection properties for small distances R of the antenna from the scatterer. Since we assume both the transmitting and receiving antennae are in a same homogeneous medium, the plane wave reflection coefficient <italic>τ</italic> is zero. By substituting <italic>τ</italic> = 0 and RMS value of the <italic>H</italic>-field, the above equation reduces to:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">SAR</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>which gives the value of SAR at a point at distance ‘R’ and angle ‘<italic>θ</italic>’ from the dipole. Power at infinitely small volume (<italic>dV</italic> = <italic>R</italic><sup>2</sup> <italic>sinθ dR dθ dφ</italic>) is:
<disp-formula id="FD24">
<label>(24)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">SAR</mml:mi>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">mass</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">SAR</mml:mi>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The power absorbed in the near field of the lossy tissue can be obtained by computing the average SAR over the entire tissue mass in the near field, which is obtained by integrating Δ<italic>P</italic> over the entire mass in the near field region, <italic>i.e</italic>., from the surface of the antenna (<italic>R</italic> = <italic>r</italic>) to the end of the near-field region (<italic>R</italic> = <italic>d</italic><sub>0</sub>):
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">NF</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idl</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">sin</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="italic">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="italic">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dRd</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>Solving by numerical integration and writing 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ɛ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as |<italic>η</italic>|/|<italic>γ</italic>|:
<disp-formula id="FD25">
<label>(25)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">NF</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dl</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>The antenna dimensions depend on the wavelength of the wave in the medium given by 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="b28-sensors-10-05503">28</xref>].</p></sec>
<sec>
<label>2.4.2.</label>
<title>Power Absorbed in the Far Field</title>
<p>Neglecting 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>…</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>..</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> terms from field <xref ref-type="disp-formula" rid="FD21">Equations (21)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="FD22">(23)</xref> for the far field, we have:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>In the far field the specific absorption rate depends only on the <italic>E<sub>rms</sub></italic> value which is given by [<xref ref-type="bibr" rid="b29-sensors-10-05503">29</xref>]:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">SAR</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">rms</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">watts</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Kg</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idlsin</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The power absorbed in the infinitely small volume (<italic>dV</italic> = <italic>R</italic><sup>2</sup> <italic>sinθ dR dθ dφ</italic>) in the far field, at a distance R and angle <italic>θ</italic> from the dipole can again be obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="FD24">(24)</xref>:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Idl</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">sin</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi>   </mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">dR</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The total power absorbed in the far field of the lossy tissue between the source and destination antennas can be obtained by computing the average SAR over the entire tissue mass in the far field from distance <italic>d</italic><sub>0</sub> to <italic>d</italic> (<italic>d</italic><sub>0</sub> is the point where the far field starts). This is obtained by integrating Δ<italic>P</italic> over the mass in the far field between the two antennas:
<disp-formula id="FD26">
<label>(26)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">FF</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>θ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>φ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">dl</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">dl</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<sec>
<title>Power received</title>
<p>The effective radiated power (ERP) is obtained by subtracting the loss in the near field (<italic>P<sub>NF</sub></italic>) and far field (<italic>P<sub>FF</sub></italic> between the transmitting and receiving antennas) from the transmitted power <italic>P<sub>T</sub></italic> (<italic>i.e</italic>., (<italic>P<sub>T</sub></italic> −<italic>P<sub>Loss</sub></italic>)<italic>G<sub>t</sub></italic>), where <italic>P<sub>Loss</sub></italic> = <italic>P<sub>NF</sub></italic> +<italic>P<sub>FF</sub></italic> is obtained from <xref ref-type="disp-formula" rid="FD25">(25)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD26">(26)</xref>. The power density (<italic>P<sub>e</sub></italic>, Power per unit area) at a distance ’d’ is different in near field and far field regions:
<list list-type="alpha-lower">
<list-item>
<p>P<sub>R</sub> in the Near Field: There is no general formula for the estimation of field strength in the near field zone [<xref ref-type="bibr" rid="b30-sensors-10-05503">30</xref>]. Only measurements can provide a simple means of field evaluation. However, reasonable calculations can be made for antennas like dipole or monopole. When the receiving antenna is in the near field region of the transmitting antenna, the power density does not necessarily depend on the distance from the antenna, but varies rapidly with distance, and may exhibit oscillatory behavior. The magnitude of on-axis (main beam) power density varies according to the location in the near field and its maximum value is approximated by [<xref ref-type="bibr" rid="b32-sensors-10-05503">32</xref>] <italic>P<sub>e</sub></italic> = 16 <italic>δP</italic> / π<italic>L</italic><sup>2</sup>, where <italic>L</italic> is the largest dimension of the antenna, <italic>P</italic> is <italic>P<sub>T</sub></italic> − <italic>P<sub>NF</sub></italic>, and <italic>δ</italic> is the aperture efficiency (typically 0.5–0.75) [<xref ref-type="bibr" rid="b32-sensors-10-05503">32</xref>]. It can be approximated as <italic>δ</italic> = <italic>A<sub>e</sub></italic>/<italic>A</italic> (<italic>A<sub>e</sub></italic> is the effective aperture and <italic>A</italic> is the physical area of the antenna). The power received by the receiving antenna in the near field can be approximated by:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">NF</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item>
<p>P<sub>R</sub> in the Far Field: On the other hand when the receiving antenna is in the far field region of the transmitting antenna, the power density is dependent on the distance <italic>d</italic> and is given by:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">Loss</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item></list></p>
<p>The power received by the receiving antenna in the far field is <italic>P<sub>R</sub></italic> = <italic>P<sub>e</sub>A<sub>e</sub></italic>, where the receiving antenna aperture <italic>A<sub>e</sub></italic> is given by 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Here, <italic>G<sub>t</sub></italic> and <italic>G<sub>r</sub></italic> are the gain of the transmitting and receiving antenna, respectively. Thus the received power is:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">NF</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">FF</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and a total phase change of <italic>e</italic><sup>−<italic>jβ</italic></sup> is involved during the propagation of the wave. Thus, PMBA can be used for calculating the propagation loss using the two <xref ref-type="disp-formula" rid="FD25">Equations (25)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD26">(26)</xref>.</p></sec></sec></sec></sec>
<sec sec-type="results">
<label>3.</label>
<title>Numerical Results</title>
<p>The permittivity of biological tissues depends on the type of tissues (e.g. skin, fat, or muscle), water content, temperature, and frequency. However, the permittivity and frequency may also determine how far the EM wave penetrates into the body. The term depth of penetration (D<sub>p</sub>) usually quantifies this. It is observed from <xref ref-type="disp-formula" rid="FD1">Equations (1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD2">(2)</xref> that the wave gets attenuated as it propagates in the biological material along the z-axis. As shown in <xref ref-type="fig" rid="f1-sensors-10-05503">Figure 1</xref>, variation of radiation power density has been compiled for four different frequencies (27 MHz, 100 MHz, 433 MHz, and 1,500 MHz) with respect to the depth in muscle. At a given depth, usage of lower frequency results in a higher power density as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="f1-sensors-10-05503">Figure 1</xref>. We discovered a distinct feature (demonstrated by <xref ref-type="fig" rid="f2-sensors-10-05503">Figure 2</xref>) which states that attenuation is more in fat than that in muscle with respect to frequency. Expressions for left- and right-going modes of a pulse have been derived in <xref ref-type="app" rid="app2">appendix B</xref>. <xref ref-type="disp-formula" rid="FD19">Equations (19)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD20">(20)</xref> express the reflectivity and transmitivity of a layer respectively. <xref ref-type="disp-formula" rid="FD7">Equations (7)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="FD8">(8)</xref> are the expressions of the left- and right-going modes respectively of a pulse when scattered by a single interface between two layers. <xref ref-type="fig" rid="f4-sensors-10-05503">Figure 4</xref>. shows the scattering of a Gaussian pulse by an interface separating two homogeneous half-spaces (<italic>c</italic><sub>0</sub>, <italic>ζ</italic><sub>0</sub>, <italic>z</italic> &lt; 0) and (<italic>c</italic><sub>1</sub>, <italic>ζ</italic><sub>1</sub>, <italic>z</italic> &gt; 0). The spatial profiles of the velocity field (a) and of the pressure field (b) are plotted at times <italic>t</italic> = −4, <italic>t</italic> = −3,..., <italic>t</italic> = 6. Reflectivity | 𝒭̂(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> versus frequency has been depicted by <xref ref-type="fig" rid="f6-sensors-10-05503">Figure 6</xref>. We can see here that, at a certain period <italic>ω<sub>c</sub></italic> = <italic>πc</italic><sub>1</sub>/<italic>L</italic>, the reflectivity maximum which is almost 0.04 for a layer with <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.1 (a) and almost 1.0 for a layer with <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.9 (b). In <xref ref-type="fig" rid="f8-sensors-10-05503">Figure 8</xref>, Transmitivity | 𝒯̂ (<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> versus frequency curves have been drawn. Transmitivity has been found to vary periodically with a certain frequency. The period of this frequency band depends upon the choice of the layer thickness <italic>L</italic>. For a layer with <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.1, transmitivity is about 1.0 (a) and for a layer with <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.9, transmitivity is about 0.9 (b). Here the period is <italic>ω<sub>c</sub></italic> = <italic>πc</italic><sub>1</sub>/2<italic>L</italic>. From <xref ref-type="disp-formula" rid="FD20">Equation (20)</xref>, we can see that by the proper choice of the impedance of the layer to be 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (so that <italic>R</italic><sub>0</sub> = <italic>R</italic><sub>1</sub>) and the thickness <italic>L</italic> to be chosen so that <italic>ωL</italic>/(<italic>πc</italic><sub>1</sub>) is half an integer (so that cos(2 <italic>ωL</italic>/<italic>c</italic><sub>1</sub>) = −1), we can form a fully transmitting layer. Usually the thickness is chosen to be equal to a quarter of the wavelength, meaning <italic>ωL</italic>/(<italic>πc</italic><sub>1</sub>) = ½. Therefore, from the results shown above, we can infer that a layer can either fully reflect or fully transmit any incoming wave at a certain frequency or frequency band. We can use these results to UWB by proper choice of impedance and the thickness L. Power loss in near filed and far field due to absorption has also been analyzed. A propagation loss model (PMBA) for homogeneous tissue bodies has been presented, which compares PMBA with the freespace propagation model (
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>λ</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; with loss coefficient <italic>n</italic> = 3). A frequency range of (900 MHz to 3 GHz) has been considered here. We have been able to make a conclusion that, compared to freespace, there is an additional 30–35 dB of attenuation at small distances the far field (<xref ref-type="fig" rid="f11-sensors-10-05503">Figure 11</xref>). This loss increases further with the distance and frequency. It is argued that the human body cannot be considered as layered a media. However, we have been able to homogenize the human body channel, which is shown in <xref ref-type="app" rid="app3">Appendix C</xref>.</p></sec>
<sec sec-type="conclusions">
<label>4.</label>
<title>Conclusions</title>
<p>Employing UWB in WBAN involves a lot of promise, just as there are a number of relevant challenges. We studied the technical feasibility in this regard with a concentration in electromagnetic propagation of the signal across human body. Unlike conventional wireless channels, human body comes with a great deal of structural complexity requiring significantly different design considerations. The reflection and transmission coefficients of human body are heavily dependent upon the dielectric constants as well as upon the frequency. In this work, we investigated a layer-wise model for electromagnetic propagation across the components of the body in regard to such key aspects as scattering, reflectivity, and transmitivity. Naturally, the segmentation in precise layers are not what we come across in a body. But, the approximate model employing homogenization could help assess the aggregate behavior of the wireless communication involving implant devices, thus guiding the potential design issues for antenna characteristics, for instance. We also presented numerical depictions of some of the pertinent signal characteristics. From here on, one could expect to further improve the model in terms of suitable layering and other parameters of approximations.</p></sec></body>
<back>
<ack>
<p>This research was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea Government (MEST) (No.2010-0018116).</p></ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="b1-sensors-10-05503"><label>1.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jung</surname><given-names>S.</given-names></name><name><surname>Lauterbach</surname><given-names>C</given-names></name><name><surname>Strasser</surname><given-names>M.</given-names></name><name><surname>Weber</surname><given-names>W.</given-names></name></person-group><article-title>Enabling technologies for disappearing electronics in smart textiles</article-title><conf-name>Proceedings of IEEE ISSCC03</conf-name><conf-loc>San Francisco, CA, USA</conf-loc><conf-date>February 9–13, 2003</conf-date><volume>1</volume><fpage>386</fpage><lpage>387</lpage></citation></ref>
<ref id="b2-sensors-10-05503"><label>2.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stoica</surname><given-names>L.</given-names></name><name><surname>Rabbachin</surname><given-names>A.</given-names></name><name><surname>Repo</surname><given-names>H.O.</given-names></name><name><surname>Tiuraniemi</surname><given-names>T.S.</given-names></name><name><surname>Oppermann</surname><given-names>I.</given-names></name></person-group><article-title>An ultrawideband system architecture for tag based wireless sensor networks</article-title><source>IEEE Trans. Veh. Technol</source><year>2005</year><volume>54</volume><fpage>1632</fpage><lpage>1645</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TVT.2005.855501</pub-id></citation></ref>
<ref id="b3-sensors-10-05503"><label>3.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zasowski</surname><given-names>T.</given-names></name><name><surname>Althaus</surname><given-names>F.</given-names></name><name><surname>Wittneben</surname><given-names>A.</given-names></name></person-group><article-title>Temporal cognitive UWB medium access in the presence of multiple strong signal interferers</article-title><conf-name>Proceedings of the 14th IST Mobile and Wireless Communications Summit</conf-name><conf-loc>Dresden, Germany</conf-loc><conf-date>June 19–23, 2005</conf-date></citation></ref>
<ref id="b4-sensors-10-05503"><label>4.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Somayazulu</surname><given-names>V.S.</given-names></name><name><surname>Foerster</surname><given-names>J.R.</given-names></name><name><surname>Roy</surname><given-names>S.</given-names></name></person-group><article-title>Design challenges for very high data rate UWB systems</article-title><conf-name>Proceedings of the 36th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computer</conf-name><conf-loc>Hillsboro, OR, USA</conf-loc><conf-date>November 2002</conf-date><volume>1</volume><fpage>717</fpage><lpage>721</lpage></citation></ref>
<ref id="b5-sensors-10-05503"><label>5.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Porcino</surname><given-names>D.</given-names></name><name><surname>Hirt</surname><given-names>W.</given-names></name></person-group><article-title>Ultra-wideband radio technology: potential and challenges ahead</article-title><source>IEEE Commun. Mag</source><year>2003</year><volume>41</volume><fpage>66</fpage><lpage>74</lpage></citation></ref>
<ref id="b6-sensors-10-05503"><label>6.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Win</surname><given-names>M.Z.</given-names></name><name><surname>Scholtz</surname><given-names>R.A.</given-names></name></person-group><article-title>Impulse radio: how it works</article-title><source>IEEE Commun. Lett</source><year>1998</year><volume>2</volume><fpage>36</fpage><lpage>38</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/4234.660796</pub-id></citation></ref>
<ref id="b7-sensors-10-05503"><label>7.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Barras</surname><given-names>D.</given-names></name><name><surname>Ellinger</surname><given-names>F.</given-names></name><name><surname>Jäckel</surname><given-names>H.</given-names></name></person-group><article-title>A comparison between ultrawideband and narrowband transceivers</article-title><conf-name>Proceedings of Conference on TR-Labs/IEEE Wireless</conf-name><conf-loc>Piscataway, NJ, USA</conf-loc><conf-date>July 2002</conf-date><fpage>211</fpage><lpage>213</lpage></citation></ref>
<ref id="b8-sensors-10-05503"><label>8.</label><citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><collab>FCC</collab></person-group><source>Tissue Dielectric Properties Calculator</source><comment>Tech. Rep. AL/OE-TR-1996-0037;</comment><publisher-name>Brooks Air Force Base</publisher-name><publisher-loc>San Antonio, TX, USA</publisher-loc><month>June</month><year>1996</year><comment>Available online: <ext-link xlink:href="http://www.fcc.gov/fcc-bin/dielec.sh" ext-link-type="uri">http://www.fcc.gov/fcc-bin/dielec.sh</ext-link> (accessed on 7 February2010)</comment></citation></ref>
<ref id="b9-sensors-10-05503"><label>9.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fouque</surname><given-names>J.P.</given-names></name><name><surname>Garnier</surname><given-names>J.</given-names></name><name><surname>Papanicolaou</surname><given-names>G.</given-names></name><name><surname>Sølna</surname><given-names>K.</given-names></name></person-group><source>Wave Propagation and Time Reversal in Randomly Layered Media</source><publisher-name>Springer</publisher-name><publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc><year>2000</year></citation></ref>
<ref id="b10-sensors-10-05503"><label>10.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kabir</surname><given-names>M.H.</given-names></name><name><surname>Sultana</surname><given-names>M.N.</given-names></name><name><surname>Kwak</surname><given-names>K.S.</given-names></name></person-group><article-title>WBAN in-body channel: dielectric perspective</article-title><source>Int. J. Digital Content Technol. Appl. (JDCTA)</source><year>2009</year><volume>3</volume><fpage>173</fpage><lpage>177</lpage></citation></ref>
<ref id="b11-sensors-10-05503"><label>11.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bashshur</surname><given-names>R.L.</given-names></name><name><surname>Mandil</surname><given-names>S.H.</given-names></name><name><surname>Gary</surname><given-names>W.</given-names></name><name><surname>Shannon</surname><given-names>G.W.</given-names></name></person-group><source>State-of-the-Art Telemedicine/Telehealth: An International Perspective</source><publisher-name>Mary Ann Liebert</publisher-name><publisher-loc>Larchmont, NY, USA</publisher-loc><month>March</month><year>2002</year></citation></ref>
<ref id="b12-sensors-10-05503"><label>12.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Coronel</surname><given-names>P.</given-names></name><name><surname>Schott</surname><given-names>W.</given-names></name><name><surname>Schwieger</surname><given-names>K.</given-names></name><name><surname>Zimmermann</surname><given-names>E.</given-names></name><name><surname>Zasowski</surname><given-names>T.</given-names></name><name><surname>Maass</surname><given-names>H.</given-names></name><name><surname>Oppermann</surname><given-names>I</given-names></name><name><surname>Ran</surname><given-names>M.</given-names></name><name><surname>Chevillat</surname><given-names>P.</given-names></name></person-group><source>Wireless Body Area and Sensor Networks</source><comment>Wireless World Research Forum (WWRF) Briefings;</comment><publisher-name>WWRF</publisher-name><publisher-loc>Aachen, Germany</publisher-loc><month>December</month><year>2004</year><fpage>19</fpage><lpage>21</lpage></citation></ref>
<ref id="b13-sensors-10-05503"><label>13.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cramer</surname><given-names>R.J.</given-names></name><name><surname>Scholtz</surname><given-names>R.A.</given-names></name><name><surname>Win</surname><given-names>M.Z.</given-names></name></person-group><article-title>An Evaluation of the Ultra-wideband propagation channel</article-title><source>IEEE Trans. Antennas Propag</source><year>2002</year><volume>50</volume><fpage>561</fpage><lpage>570</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAP.2002.1011221</pub-id></citation></ref>
<ref id="b14-sensors-10-05503"><label>14.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gezici</surname><given-names>S.</given-names></name><name><surname>Sahinoglu</surname><given-names>Z.</given-names></name></person-group><article-title>Theoretical limits for estimation of vital signal parameters using impulse radio UWB</article-title><conf-name>Proceedings of IEEE International Conference on Communications (ICC 2007)</conf-name><conf-loc>Ankara, Turkey</conf-loc><conf-date>August 2007</conf-date><fpage>5751</fpage><lpage>5756</lpage></citation></ref>
<ref id="b15-sensors-10-05503"><label>15.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ghassemzadeh</surname><given-names>S.S.</given-names></name><name><surname>Tarokh</surname><given-names>V.</given-names></name></person-group><source>The Ultra-Wideband Indoor Path Loss Model</source><comment>Technical Report P802.15 02/277r1SG3a;</comment><publisher-name>AT&amp;T Labs</publisher-name><publisher-loc>Florham Park, NJ, USA</publisher-loc><year>2002</year><comment>(IEEE P802.15 SG3a contribution).</comment></citation></ref>
<ref id="b16-sensors-10-05503"><label>16.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kannan</surname><given-names>B.</given-names></name></person-group><article-title>Characterization of UWB Channels: large-scale parameters for indoor and outdoor office environment</article-title><conf-name>Proceedings of IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs)</conf-name><conf-loc>San Antonio, TX, USA</conf-loc><conf-date>November 15–19, 2004</conf-date></citation></ref>
<ref id="b17-sensors-10-05503"><label>17.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Proakis</surname><given-names>J.G.</given-names></name></person-group><source>Digital Communications</source><edition>4th ed</edition><publisher-name>McGraw-Hill</publisher-name><publisher-loc>New York, NY, USA</publisher-loc><year>2000</year></citation></ref>
<ref id="b18-sensors-10-05503"><label>18.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Alamouti</surname><given-names>S.</given-names></name></person-group><article-title>A simple transmit diversity technique for wireless communications</article-title><source>IEEE J. Sel. Areas Commun, Oct</source><year>1998</year><volume>16</volume><fpage>1451</fpage><lpage>1458</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/49.730453</pub-id></citation></ref>
<ref id="b19-sensors-10-05503"><label>19.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lee</surname><given-names>T.H.</given-names></name></person-group><source>The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits</source><publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name><publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc><year>1998</year></citation></ref>
<ref id="b20-sensors-10-05503"><label>20.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fort</surname><given-names>A.</given-names></name><name><surname>Desset</surname><given-names>C.</given-names></name><name><surname>Ryckaert</surname><given-names>J.</given-names></name><name><surname>De Doncker</surname><given-names>P.</given-names></name><name><surname>Van Biesen</surname><given-names>L.</given-names></name><name><surname>Wambacq</surname><given-names>P.</given-names></name></person-group><article-title>Characterization of the ultra wideband body area propagation channel</article-title><conf-name>Proceedings of International Conference ICU</conf-name><conf-loc>Zurich, Switzerland</conf-loc><conf-date>September 5–8, 2005</conf-date><fpage>22</fpage><lpage>27</lpage></citation></ref>
<ref id="b21-sensors-10-05503"><label>21.</label><citation citation-type="book"><source>Time-Domain Corporation, n.d., P210 Integratable Module Data Sheet, 320-0095 Rev B</source><publisher-name>Time-Domain Corporation</publisher-name><publisher-loc>Huntsville, AL, USA</publisher-loc><year>2010</year></citation></ref>
<ref id="b22-sensors-10-05503"><label>22.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Molisch</surname><given-names>A.</given-names></name></person-group><article-title>Statistical properties of the RMS delay-spread of mobile radio channels with independent Rayleigh-fading paths</article-title><source>IEEE Trans. Veh. Technol</source><year>1996</year><volume>45</volume><fpage>201</fpage><lpage>214</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/25.481838</pub-id></citation></ref>
<ref id="b23-sensors-10-05503"><label>23.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schuster</surname><given-names>U.G.</given-names></name><name><surname>Bölcskei</surname><given-names>H.</given-names></name><name><surname>Durisi</surname><given-names>G.</given-names></name></person-group><article-title>Ultra-wideband channel modeling on the basis of information-theoretic criteria</article-title><conf-name>Proceedings of International Symposium on Information Theory (ISIT)</conf-name><conf-loc>Adelaide, Australia</conf-loc><conf-date>September 4–9, 2005</conf-date><volume>27</volume><fpage>97</fpage><lpage>101</lpage></citation></ref>
<ref id="b24-sensors-10-05503"><label>24.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><collab>Federal Commissions Commission (FCC)</collab></person-group><source>Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems</source><comment>First Report and Order, ET Docket 98-153, FCC 02-48;</comment><publisher-name>FCC</publisher-name><publisher-loc>Washington, DC, USA</publisher-loc><year>2002</year></citation></ref>
<ref id="b25-sensors-10-05503"><label>25.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gupta</surname><given-names>S.K.S.</given-names></name><name><surname>Lalwani</surname><given-names>S.</given-names></name><name><surname>Prakash</surname><given-names>Y.</given-names></name><name><surname>Elsharawy</surname><given-names>E.</given-names></name><name><surname>Schwiebert</surname><given-names>L.</given-names></name></person-group><article-title>Towards a propagation model for wireless biomedical applications</article-title><conf-name>Proceedings of IEEE International Conference on Communications (ICC’03)</conf-name><conf-loc>Anchorage, AK, USA</conf-loc><conf-date>May 11–15, 2003</conf-date><volume>3</volume><fpage>1993</fpage><lpage>1997</lpage></citation></ref>
<ref id="b26-sensors-10-05503"><label>26.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wegmueller</surname><given-names>M.S.</given-names></name><name><surname>Kuhn</surname><given-names>A.</given-names></name><name><surname>Froehlich</surname><given-names>J.</given-names></name><name><surname>Oberle</surname><given-names>M.</given-names></name><name><surname>Felber</surname><given-names>N.</given-names></name><name><surname>Kuster</surname><given-names>N.</given-names></name><name><surname>Fichter</surname><given-names>W.</given-names></name></person-group><article-title>An Attempt to Model the Human Body as a Communication Channel</article-title><source>IEEE Trans. Bio-med. Eng</source><year>2007</year><volume>54</volume><fpage>1851</fpage><lpage>1857</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TBME.2007.893498</pub-id></citation></ref>
<ref id="b27-sensors-10-05503"><label>27.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Plonsey</surname><given-names>R.</given-names></name><name><surname>Heppner</surname><given-names>D.B.</given-names></name></person-group><article-title>Considerations of quasi-stationarity in electrophysiological systems</article-title><source>Bull Math. Biophys</source><year>1967</year><volume>29</volume><fpage>657</fpage><lpage>664</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF02476917</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">5582145</pub-id></citation></ref>
<ref id="b28-sensors-10-05503"><label>28.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cheng</surname><given-names>D.K.</given-names></name></person-group><source>Field and Wave Electromagnetics</source><edition>2nd ed</edition><publisher-name>Addison-Wesley Publications</publisher-name><publisher-loc>Reading, MA, USA</publisher-loc><year>1989</year></citation></ref>
<ref id="b29-sensors-10-05503"><label>29.</label><citation citation-type="book"><source>A Practical Guide to the Determination of Human Exposure to Radiofrequency Fields: Recommendations of the National Council on Radiation Protection A (NCRP Report No. 119)</source><publisher-name>NCRP Publications</publisher-name><publisher-loc>Bethesda, ML, USA</publisher-loc><conf-date>December 1993</conf-date></citation></ref>
<ref id="b30-sensors-10-05503"><label>30.</label><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><collab>Office of Engineering Technology</collab></person-group><source>Understanding The FCC Regulations for Low-Power, Non-Licensed Transmitters</source><comment>OET Bulletin NO. 63;</comment><publisher-name>OET</publisher-name><publisher-loc>Washington, DC, USA</publisher-loc><conf-date>October 1993</conf-date></citation></ref>
<ref id="b31-sensors-10-05503"><label>31.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kuster</surname><given-names>N.</given-names></name><name><surname>Balzano</surname><given-names>Q.</given-names></name></person-group><article-title>Energy absorption mechanism by biological bodies in the near field of dipole antennas above 300 MHz</article-title><source>IEEE Trans. Veh. Technol</source><year>1992</year><volume>41</volume><fpage>17</fpage><lpage>23</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/25.120141</pub-id></citation></ref>
<ref id="b32-sensors-10-05503"><label>32.</label><citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><collab>RF/Microwave Hazard Recognition and Measurement</collab></person-group><comment>Available online: <ext-link xlink:href="http://www.oshaslc.gov/SLTC/radiofrequencyradiation/rfpresentation/microwavemeasure/non2.html" ext-link-type="uri">http://www.oshaslc.gov/SLTC/radiofrequencyradiation/rfpresentation/microwavemeasure/non2.html</ext-link> (accessed on 10 February 2010)</comment></citation></ref>
<ref id="b33-sensors-10-05503"><label>33.</label><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dissanayake</surname><given-names>T.</given-names></name><name><surname>Esselle</surname><given-names>K.P.</given-names></name><name><surname>Yuce</surname><given-names>M.R.</given-names></name></person-group><article-title>UWB Antenna Impedance Matching in Biomedical Implants</article-title><conf-name>Proceedings of the 3rd European Conference on Antennas and Propagation</conf-name><conf-loc>Berlin, Germany</conf-loc><conf-date>March 23–27, 2009</conf-date><volume>7</volume><fpage>230</fpage><lpage>233</lpage></citation></ref>
<ref id="b34-sensors-10-05503"><label>34.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dissanayake</surname><given-names>T.</given-names></name><name><surname>Esselle</surname><given-names>K.P.</given-names></name><name><surname>Yuce</surname><given-names>M.R.</given-names></name></person-group><article-title>Dielectric loaded impedance matching for wideband implanted anteenas</article-title><source>IEEE Trans. Microwave Theory Techn</source><year>2009</year><volume>57</volume><fpage>2480</fpage><lpage>2487</lpage><pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMTT.2009.2029664</pub-id></citation></ref>
<ref id="b35-sensors-10-05503"><label>35.</label><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Forbes</surname><given-names>R.M.</given-names></name><name><surname>Cooper</surname><given-names>A.R.</given-names></name><name><surname>Mitchell</surname><given-names>H.H.</given-names></name></person-group><article-title>The composition of the adult human body as determined by chemical analysis</article-title><source>J. Biol. Chem</source><year>1953</year><volume>203</volume><fpage>359</fpage><lpage>366</lpage><pub-id pub-id-type="pmid">13069519</pub-id></citation></ref></ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>Appendix A</title>
<p>Let us assume that a biological medium is infinite in extent, source-free, isotropic, and homogeneous. The medium is isotropic if <bold>ɛ</bold> is a scalar constant, so <bold><italic>D</italic></bold> (electric displacement field vector) and <bold><italic>E</italic></bold> (electric field vector) are the same in every direction. A homogeneous medium is one for which <italic>ε</italic> (relative permittivity), <italic>μ</italic> (relative permeability), and <italic>σ</italic> (conductivity) are constants. For this case, Maxwell’s equations become:
<disp-formula id="FDA1">
<label>(A.1)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDA2">
<label>(A.2)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDA3">
<label>(A.3)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDA4">
<label>(A.4)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using following identities:
<disp-formula id="FDA5">
<label>(A.5)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDA6">
<label>(A.6)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDA7">
<label>(A.7)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDA8">
<label>(A.8)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where, ε, μ, and σ are relative permittivity, relative permeability, and conductivity of the medium, <bold>H</bold> is magnetic field vector, <bold>B</bold> is magnetic flux density, <bold>J</bold> is the displacement current. We can find the expressions for <italic>wave equation</italic>:
<disp-formula id="FDA9">
<label>(A.9)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>In view of the fact that equations governing <bold><italic>E</italic></bold> and <bold><italic>H</italic></bold> in the biological material (Maxwell’s equations) are linear and keeping in mind that any arbitrarily time-varying function can be expressed as a sum of number of sinusoidal functions, time dependence of the fields, <bold><italic>E</italic></bold> and <bold><italic>H</italic></bold>, can be given by the factor <italic>e<sup>jωt</sup></italic> so that:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>≡</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>≡</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using the relationships in <xref ref-type="disp-formula" rid="FDA9">(A.9)</xref>, the wave equation becomes:
<disp-formula id="FDA10">
<label>(A.10)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where:
<disp-formula id="FDA11">
<label>(A.11)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>σ</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mi>σ</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>And where <italic>c</italic> is the free space velocity (3 × 10<sup>8</sup> m/s) and γ is the propagation constant. This is in general, a complex quantity and may be written in the form:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where the attenuation constant is:
<disp-formula id="FDA12">
<label>(A.12)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
<disp-formula id="FDA13">
<label>(A.13)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>α</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and the phase constant in radians per meter is:
<disp-formula id="FDA14">
<label>(A.14)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>β</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
<disp-formula id="FDA15">
<label>(A.15)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>β</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>μ</mml:mi>
<mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>0.125</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>″</mml:mo></mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>ε</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using <xref ref-type="disp-formula" rid="FDA15">Equation (A.15)</xref>, the wavelength λ can be determined by:
<disp-formula id="FDA16">
<label>(A.16)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>λ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></app>
<app id="app2">
<title>Appendix B</title>
<p>In this appendix, we use a number of essential transformations of the wave equation that are specific to layered media. We consider the particular case in which the parameters of the medium vary in a piecewise-constant manner; in other words, we consider a stack of layers made of homogeneous media. We study the propagation of a normally incident plane wave, which enables us to reduce the problem to the one-dimensional acoustic wave equations [<xref ref-type="bibr" rid="b9-sensors-10-05503">9</xref>]. We will see that the problem can be recast as a product of matrices corresponding to the scattering of the wave by the successive interfaces between the layers. This is a classical setup for waves propagating in this particular type of layered media, and it is extremely useful for direct numerical simulations. The equations for the three-dimensional velocity <bold>u</bold> and pressure <italic>p</italic> are:
<disp-formula id="FDB1">
<label>(B.1)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDB2">
<label>(B.2)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <italic>ρ</italic> is the density of the medium and <italic>K</italic> the bulk modulus of the medium. These two equations correspond respectively to conservation of momentum and mass. The density and bulk modulus are assumed to be spatially varying along the <italic>z</italic>-coordinate. If the initial conditions correspond to a plane wave that is normally incident to the layered medium, then the solution of the equations remains independent of the transverse variables, and the transverse velocity is zero. The system can then be reduced to the one-dimensional wave equations. It should be noted that more general conditions, corresponding in particular to point source, require a more general three-dimensional framework. In this appendix, we focus our attention to the one-dimensional case.</p>
<p>In one-dimensional medium the equations for the velocity <italic>u</italic> and pressure <italic>p</italic> are:
<disp-formula id="FDB3">
<label>(B.3)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with <italic>ρ</italic> being the density and <italic>K</italic> the modulus of the medium, which are both functions of the spatial coordinate <italic>z</italic>. We write this system of equations in matrix form:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>A diagonalization of the 2 × 2 matrix gives:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>with 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> being respectively the local speed of sound and impedance. The system can then be written as:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>In this representation the material parameters <italic>ρ</italic> and <italic>K</italic> may either vary or remain constant (special case) with respect to the space coordinate <italic>z</italic>.</p>
<sec>
<title>Right- and Left-Going Waves</title>
<p>We consider the special case with a homogeneous medium in which the coefficients <italic>ρ</italic> and <italic>K</italic> are constant. Consequently the speed of sound <italic>c</italic> and the impedance <italic>ζ</italic> are constant, and the system can be written:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then if we define:
<disp-formula id="FDB4">
<label>(B.4)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>it follows that:
<disp-formula id="FDB5">
<label>(B.5)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The equations for A and B decouple:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and the waves can be written <italic>A</italic> (<italic>t</italic>, <italic>z</italic>) = <italic>a</italic>(<italic>t</italic> − <italic>z/c</italic>) and <italic>B</italic> (<italic>t</italic>, <italic>z</italic>) = <italic>b</italic>(<italic>t</italic> + <italic>z/c</italic>) for some wave-shape functions <italic>a</italic> and <italic>b</italic>. Thus, in the constant medium case we have decomposed the wave into the right- and left-going waves A and B, which do not interact.</p>
<p>To fully specify the problem we have to prescribe initial conditions, for instance the velocity and pressure profiles at time <italic>t =</italic> 0:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We then translate these initial conditions for <italic>u</italic> and <italic>p</italic> into initial conditions for the modes A and B:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>which gives the expressions for the modes:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ct</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ct</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>and finally the expressions for the wave:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The initial conditions determine the mode decomposition and can be chosen to generate a pure right-going wave (if <italic>p</italic><sub>0</sub> ≡ <italic>ζu</italic><sub>0</sub>) or a pure left-going wave (if <italic>p</italic><sub>0</sub> ≡ −<italic>ζu</italic><sub>0</sub>).</p>
<p>A more physical way to generate a wave is to assume that the wave vanishes as <italic>t</italic> → −∞ and to introduce a source term in the acoustic wave equations:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>By assuming a point source <italic>F</italic> (<italic>t</italic>, <italic>z</italic>) = <italic>ζ</italic><sup>1/2</sup> <italic>f</italic>(<italic>t</italic>)<italic>δ</italic>(<italic>z</italic>) the system for A and B becomes:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>∂</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>δ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>whose solutions are:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>As a result, the velocity and pressure fields are:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">if</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>This means that the source term generates two waves with equal energy that propagates to the right and to the left.</p></sec></app>
<app id="app3">
<title>Appendix C</title>
<sec>
<title>Homogenization:</title>
<p>For a channel like the human body where muscle, fat, blood cannot be considered as slabs or layers, we consider the idealized situation in which the parameters vary only with depth, and moreover, we make the important assumption that the variations are on a relatively fine scale. We assume that the scale of variation is small compared to the distance traveled by the pulse, as well as compared to the wavelength of the pulse. One may then expect that the waves are not strongly affected by the impedance in any particular layer. When a pulse propagates through such fine layers, the interaction with each layer is small, and propagation is not much affected. The pulse therefore travels as if the medium were homogeneous with the layers replaced by “averaged” ones. In general, we refer to this homogeneous medium as the homogenized medium. It is also referred to as an effective, average, or equivalent medium. We start by writing the medium parameters in the form <italic>ρ</italic> = <italic>ρ</italic>(<italic>z/l</italic>), <italic>K</italic> = <italic>K</italic>(<italic>z/l</italic>), with <italic>l</italic> a parameter that can be viewed as the layer size. Thus, ρ(z) is the variable density when observed through a magnifying glass with magnification factor 1/<italic>l</italic>. We then observe the fluctuations on their natural or intrinsic scale of variation. Typically, we will model ρ(z) as a stationary random process. Again we consider that the slab has constant parameters <italic>ρ</italic> ≡ <italic>ρ̄</italic> and <italic>K</italic> ≡ <italic>K̄</italic>, then 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>ζ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Assuming that the local propagation speed c varies with <italic>z</italic> but the impedance is constant. We choose the value <italic>ζ̄</italic> to be this constant. With these assumptions we have:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We introduce propagator <italic>P<sub>ω</sub></italic> for each frequency ω, then we have:
<disp-formula id="FDC1">
<label>(C.1)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where we have denoted the identity matrix by <bold>I</bold> and we have introduced:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>ρ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>±</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo></mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The matrix <italic>P<sub>ω</sub></italic> (0, <italic>z</italic>) “propagates” the wave components from <italic>z</italic> = 0 to any other location <italic>z</italic> &gt; 0, since the linearity of:
<disp-formula id="FDC2">
<label>(C.2)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">dz</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&lt;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>implies that:
<disp-formula id="FDC3">
<label>(C.3)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>for any <italic>z</italic> ∈ [0, <italic>L</italic>]. <xref ref-type="disp-formula" rid="FDC2">Equation (C.2)</xref> can be found by Fourier transforming <italic>A</italic>(<italic>t</italic>, 0) + <italic>R</italic><sub>0</sub><italic>B</italic>(<italic>t</italic>, 0) = <italic>T</italic><sub>0</sub> <italic>f</italic>(<italic>t</italic>), <italic>T</italic><sub>1</sub><italic>A</italic>(<italic>t</italic>, <italic>L</italic>) − <italic>B</italic>(<italic>t</italic>, <italic>L</italic>) = 0 with boundary conditions <italic>â</italic>(<italic>ω</italic>, 0) + <italic>R</italic><sub>0</sub><italic>b̂</italic>(<italic>ω</italic>, 0) = <italic>T</italic><sub>0</sub><italic>f̂</italic>(<italic>ω</italic>), 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <italic>f̂</italic>(<italic>ω</italic>) = ∫ <italic>f</italic>(<italic>s</italic>)<italic>e<sup>iωs</sup> ds</italic>.</p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="FDC1">Equation (C.1)</xref> is diagonal and can be integrated by exponentiation:
<disp-formula id="FDC4">
<label>(C.4)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="FDC5">
<label>(C.5)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dy</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>To determine the effective medium that emerges in the limit of fine layering <italic>l</italic> → 0, we see from <xref ref-type="disp-formula" rid="FDC5">(C.5)</xref> that we need to study the behavior of 
<inline-formula>
<mml:math>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dy</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <italic>l</italic> → 0. Homogenization can be illustrated using the simple model in which the medium is made up of independent and identically distributed layers of equal width <italic>l</italic> → 0. The medium is defined by one sequence of independent and identically distributed positive random variables C<sub>n</sub> that are bounded and bounded away from zero. The local speed of propagation is given by:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where [<italic>x</italic>] denotes the integer part of x. Since [<italic>z/l</italic>] → ∞ as <italic>l</italic> → 0, we can apply the law of large numbers to obtain:
<disp-formula id="FDC6">
<label>(C.6)</label>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow/></mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">dy</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∫</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>˜</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>˜</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr columnalign="left">
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo></mml:munder>
<mml:mi>z</mml:mi></mml:munder>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>∑</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo></mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>𝔼</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi></mml:mfrac>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:munder accentunder="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">→</mml:mo></mml:munder>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>𝔼</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The convergence is in the almost sure sense, for almost all realizations of the medium, or with probability one with respect to the randomness. In this setting, homogenization in the frequency domain means that we should choose <italic>c̄</italic> such that in the limit that <italic>l</italic> → 0 the propagator <italic>P<sub>ω</sub></italic> (0, <italic>z</italic>) becomes the identity for all z. Using (<xref ref-type="disp-formula" rid="FDC4">C.4</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="FDC5">C.5</xref>), we see that we must have:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>𝔼</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thus, the harmonic mean of local propagation speeds is the homogenized or effective propagation speed. This effective propagation speed is frequency independent in this example, and therefore it is also the effective propagation speed in the time domain. We can get the transmitted and reflected waves in the Fourier domain:
<disp-formula>
<mml:math display="block">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>^</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></sec></app></app-group>
<sec sec-type="display-objects">
<title>Figures</title>
<fig id="f1-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 1.</label>
<caption>
<p>Power absorption in muscle as a function of depth at different frequencies.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f1.gif"/></fig>
<fig id="f2-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 2.</label>
<caption>
<p>Variation of Penetration depth with frequency.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f2.gif"/></fig>
<fig id="f3-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 3.</label>
<caption>
<p>Scattering of a pulse by an interface.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f3.gif"/></fig>
<fig id="f4-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 4.</label>
<caption>
<p>Scattering of a pulse by an interface separating two homogeneous half-spaces (<italic>c</italic><sub>0</sub>, <italic>ζ</italic><sub>0</sub>, <italic>z</italic> &lt; 0) and (<italic>c</italic><sub>1</sub>, <italic>ζ</italic><sub>1</sub>, <italic>z</italic> &gt; 0). Here the incoming right-going wave has a Gaussian profile, <italic>c</italic><sub>0</sub> = <italic>ζ</italic><sub>0</sub> = 1, and <italic>c</italic><sub>1</sub> = <italic>ζ</italic><sub>1</sub> = 2. The spatial profiles of the velocity field (a) and of the pressure field (b) are plotted at times <italic>t</italic> = −4, <italic>t</italic> = −3,..., <italic>t</italic> = 6.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f4.gif"/></fig>
<fig id="f5-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 5.</label>
<caption>
<p>Scattering of a pulse by a single layer.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f5.gif"/></fig>
<fig id="f6-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 6.</label>
<caption>
<p>Reflectivity |𝒭̂(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> versus frequency for a single layer with <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.1 (a) and <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.9 (b). The period is <italic>ω<sub>c</sub></italic> = <italic>πc</italic><sub>1</sub>/<italic>L</italic>.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f6.gif"/></fig>
<fig id="f7-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 7.</label>
<caption>
<p>A propagation system consisting of 3 layers; air, human body channel, and a transceiver.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f7.gif"/></fig>
<fig id="f8-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 8.</label>
<caption>
<p>Transmitivity |𝒯̂(<italic>ω</italic>)|<sup>2</sup> versus frequency for a single layer with <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.1 (a) and <italic>R</italic><sub>0</sub> = −<italic>R</italic><sub>1</sub> = 0.9 (b). The period is <italic>ω<sub>c</sub></italic> = <italic>πc</italic><sub>1</sub>/2<italic>L</italic>.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f8.gif"/></fig>
<fig id="f9-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 9.</label>
<caption>
<p>A Hertzian Dipole.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f9.gif"/></fig>
<fig id="f10-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 10.</label>
<caption>
<p>Field regions around a Hertzian Dipole.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f10.gif"/></fig>
<fig id="f11-sensors-10-05503" position="float">
<label>Figure 11.</label>
<caption>
<p>PMBA (tissue medium) and Freespace Pathloss at 2.4 GHz.</p></caption>
<graphic xlink:href="sensors-10-05503f11.gif"/></fig></sec></back></article>
