<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Earth Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Earth Science</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Earth Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-6463</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">886920</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/feart.2022.886920</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Earth Science</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Acoustoelastic FD Simulation of Elastic Wave Propagation in Prestressed Media</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Yang et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Acoustoelastic FD Simulation</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Haidi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1301633/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>Li-Yun</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/995373/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>Bo-Ye</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1071238/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>M&#xfc;ller</surname>
<given-names>Tobias M.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff5">
<sup>5</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Shandong Provincial Key Laboratory of Deep Oil and Gas</institution>, <institution>China University of Petroleum (East China)</institution>, <addr-line>Qingdao</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Laboratory for Marine Mineral Resources</institution>, <institution>Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology</institution>, <addr-line>Qingdao</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Key Laboratory of Earth and Planetary Physics</institution>, <institution>Institute of Geology and Geophysics</institution>, <institution>Chinese Academy of Sciences</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Institutions of Earth Science</institution>, <institution>Chinese Academy of Sciences</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff5">
<sup>5</sup>
<institution>Centro de Investigaci&#xf3;n Cient&#xed;fica y de Educaci&#xf3;n Superior de Ensenada (CICESE)</institution>, <institution>Department of Seismology</institution>, <addr-line>Ensenada</addr-line>, <country>Mexico</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1234578/overview">Lidong Dai</ext-link>, Institute of geochemistry (CAS), China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1704129/overview">Hao Chen</ext-link>, Institute of Acoustics (CAS), China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1704209/overview">Tianyue Hu</ext-link>, Peking University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Li-Yun Fu, <email>lfu@upc.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Solid Earth Geophysics, a section of the journal Frontiers in Earth Science</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>28</day>
<month>04</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>886920</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>01</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>14</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Yang, Fu, Fu and M&#xfc;ller.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Yang, Fu, Fu and M&#xfc;ller</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Insights into wave propagation in prestressed media are important in geophysical applications such as monitoring changes in geo-pressure and tectonic stress. This can be addressed by acoustoelasticity theory, which accounts for nonlinear strain responses due to stresses of finite magnitude. In this study, a rotated staggered grid finite-difference (RSG-FD) method with an unsplit convolutional perfectly matched layer absorbing boundary is used to solve the relevant acoustoelastic equations with third-order elastic constants for elastic wave propagation in prestressed media. We partially verify our numerical simulations by the plane-wave theoretical solution. Comparisons of theoretical and calculated wave velocities are conducted for both P-wave and S-wave as a function of hydrostatic prestresses. We discuss several aspects of the numerical implementation. Numerical acoustoelasticity simulations for wave propagation in single- and double-layer models are carried out under four states of prestresses, confining, uniaxial, pure-shear, and simple-shear. The results display the effective anisotropy of elastic wave propagation in acoustoelastic media, illustrating that the prestress-induced velocity anisotropy is of orthotropic features strongly related to the orientation of prestresses. These examples demonstrate the significant impact of prestressed conditions on seismic responses in both phase and amplitude.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>acoustoelasticity</kwd>
<kwd>elastic wave propagation</kwd>
<kwd>modelling</kwd>
<kwd>CPML absorbing boundary condition</kwd>
<kwd>rotated staggered grid (RSG) method</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">41720104006 41821002</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">National Natural Science Foundation of China<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001809</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>The impact of prestressed zones on seismic waves is an important issue that affects the interpretation of the results by seismic imaging and inversion. It is well known that acoustic velocities in rocks are sensitive to prestresses. The theory of acoustoelasticity, as an extension of the classical theory of elasticity, is set up under the framework of hyperelasticity (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B38">Toupin and Bernstein, 1961</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B37">Thurston and Brugger, 1964</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Norris, 1983</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Shams et al., 2011</xref>). The theory relates elastic moduli to prestresses (or residual stresses) in solids (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al., 1984</xref>), resulting in an effective anisotropy for wave propagation in acoustoelastic media. It has been used to account for stress-induced velocity variations in rocks (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B13">Johnson and Shankland, 1989</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Meegan et al., 1993</xref>), therefore perhaps providing the potential to understand the acoustic response to <italic>in-situ</italic> stresses (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Sinha and Kostek, 1996</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Huang et al., 2001</xref>) and, in turn, to monitor changes in geopressure and tectonic stress. Theoretical and experimental investigations of acoustoelasticity for wave propagation in prestressed rocks have made great signs of progress, but with limited literature on numerical simulations for acoustoelastic wave propagation. As a useful complement to the theoretical solutions of acoustoelastic equations, numerical acoustoelasticity simulations are thought to provide further insights into the stress-induced variations in velocity and anisotropy.</p>
<p>Finite-difference (FD) numerical simulations of elastic wave propagation have been extensively studied over the past decades. A comprehensive review and mathematical details are discussed by <xref ref-type="bibr" rid="B3">Carcione (2007)</xref>. The standard staggered grid (SSG) FD operator (<xref ref-type="bibr" rid="B39">Virieux, 1986</xref>) has been widely applied to various types of velocity-stress equations for wave propagation. It calculates spatial derivatives halfway between two gridpoints, where some modeling parameters defined on intergrid locations must be averaged, yielding inaccurate results or instability problems for wave propagation in media with strong fluctuations in elastic parameters (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Crase, 1990</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Seron et al., 1996</xref>). The SSG-FD algorithm has been improved significantly, for example, with the staggered mesh for anisotropic and viscoelastic wave equations (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Carcione, 1999</xref>), the volume harmonic and arithmetic averaging of parameters (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Moczo et al., 2002</xref>), the Lebedev FD scheme for anisotropic media (<xref ref-type="bibr" rid="B16">Lisitsa and Vishnevskiy, 2010</xref>), and the high-order operator for anisotropy simulations (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B11">Hu and McMechan, 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Pei et al., 2012</xref>). It is worth noting that a rotated staggered grid (RSG) FD method (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Saenger et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B33">Saenger and Shapiro, 2002</xref>) is presented with no averaging of elastic moduli required in an elementary cell. The method has been applied to viscoelastic and anisotropic wave propagation (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Saenger and Bohlen, 2004</xref>) and to poroelastic equations for ultrasonic propagation (coda waves) in digital porous cores (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Zhang et al., 2014</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B7">Gao and Huang (2017)</xref> develop an improved RSG scheme for elastic-wave modeling in anisotropic media, with fourth-order temporal accuracy to reduce the numerical dispersion associated with prolonged wave propagation or a large temporal step size. Recent and valuable contributions to the FD numerical simulation of wave propagation include a high-performance FD architecture for wave propagation in anisotropic poroelastic media (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Alkhimenkov et al., 2021</xref>) and a discrete FD grid representation for strongly heterogeneous media (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Moczo et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Gregor et al., 2021</xref>).</p>
<p>Great progress has been made in both the theoretical and experimental aspects of acoustoelasticity, but dedicated computational literature is rare. <xref ref-type="bibr" rid="B21">Mavko et al. (1995)</xref> present a simple transformation to calculate the stress-induced anisotropy in homogeneous rocks. <xref ref-type="bibr" rid="B17">Liu and Sinha (2000)</xref> solve acoustoelastic equations using a second-order FD time-domain (FDTD) method to simulate borehole acoustic wave propagation in prestressed formations. <xref ref-type="bibr" rid="B4">Chen et al. (2006)</xref> parallelize the FDTD simulation in the super computer for ultrasonic wave propagation in prestressed media with a perfectly matched layer (PML) as an absorbing boundary condition. <xref ref-type="bibr" rid="B6">Fang et al. (2013)</xref> propose an iterative finite-element numerical approach to calculate stress-induced anisotropy around a borehole by incorporating the rock-physics transformation (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Mavko et al., 1995</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B41">Yang et al. (2019)</xref> present a finite-element prediction of acoustoelastic effects associated with Lamb wave propagation in prestressed plates. <xref ref-type="bibr" rid="B15">Li et al. (2020)</xref> simulate acoustoelastic effects associated with ultrasound wave propagation by time-space finite element formulation based on quadratic interpolation of the acceleration. It is worth mentioning that <xref ref-type="bibr" rid="B18">Lys et al. (2015)</xref> use the general theory of finite deformations to formulate a governing equation in terms of velocities, stresses, and small rotations in the form of the first-order hyperbolic system. They apply the RSG-FD method to the governing equation for wave propagation in a homogeneous medium under a simple prestress mode, but with the results unvalidated.</p>
<p>In this study, we introduce the theory of acoustoelasticity as a base to support numerical simulations for wave propagation in prestressed media. We follow the works of <xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al. (1984)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">Pao and Gamer (1985)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu (1996)</xref> for the theory of acoustoelasticity with a detailed description of the third-order elastic constants that are important for building physically meaningful prestressed models. The presented numerical scheme is based on the RSG-FD method which is implemented by an eighth-order (for the space derivatives) and second-order (for the time derivatives) FD operator. The classical split PML and conventional unsplit PML absorbing boundaries suffer from large spurious reflections at grazing incidences, especially for low-frequency numerical simulations. An unsplit convolutional PML (CPML) absorbing boundary (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Komatitsch and Martin, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Martin and Komatitsch, 2009</xref>) is used in this study to overcome this difficulty with less memory and more computational efficiency. For insights into the effect of third-order elastic constants on the velocity, we conduct a plane-wave analysis, combined with the closed-pore jacketed sandstone experiment (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>), which describes P-wave and S-wave velocities against prestresses. The presented numerical scheme is partially validated using the plane-wave theoretical solution through the comparison of theoretical and calculated wave velocities. Four states of prestress, not only the conventional confining and uniaxial modes but also the pure-shear and simple-shear patterns, are investigated with different simplified stiffness matrices to model the prestress-induced anisotropy of velocities and its effect on the characteristics of wavefronts. The acoustoelastic modeling scheme can be applied to double-layered cases.</p>
<p>We first briefly introduce the theory of acoustoelasticity based on the third-order elastic constants, followed by a stress-velocity plane-wave analysis. Then, we apply the RSG-FD method to the acoustoelastic equations with the velocity-stress CPML absorbing boundaries. Numerical examples are presented for elastic wave propagation in an isotropic and homogeneous medium and a double-layer model under different kinds of prestress modes.</p>
<sec id="s1-1">
<title>Theoretical Background</title>
<sec id="s1-1-1">
<title>Acoustoelastic Equations</title>
<p>For wave propagation in prestressed media, there exist three configurations involved: the stress-free natural configuration as a reference state, the initial configuration of finite static deformations as a prestressed state, and the final configuration associated with wave-induced dynamic deformations. The theory of acoustoelasticity superposes small-amplitude dynamic deformations of a wave onto a prestressed finite deformation. The relevant acoustoelastic equation of motion can be derived either in the natural or in the initial states.</p>
<p>As defined by <xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al. (1984)</xref> for a predeformed medium, the dynamic displacement <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the initial to the final state satisfies the following acoustoelastic equation of motion in the natural frame of reference,<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent the Kronecker symbol, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x393;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the fourth-order stiffness tensor and the second Piola-Kirchhoff stress tensor caused by a finite static deformation, respectively. The mass density <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> refers to the natural state. The fourth-order stiffness tensor <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expanded about the material&#x2019;s elastic constants in the initial state,<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</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:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the infinitesimal strain, <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the static displacement caused by the applied static loading of material points for the natural state, and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x3f5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the second-order and third-order elastic constants of the medium in the prestressed configuration, respectively. The coefficients <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> depend on both the material constants and the prestress strains. These coefficients possess the same symmetry (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al., 1984</xref>) as the Hookean stiffness tensor <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, namely,<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For convenience, we use the following Voigt&#x2019;s compressed notation for the tensorial indices to contract the indices of <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<italic>&#x3b1;, &#x3b2;, &#x3b3;, &#x3b4;</italic> &#x3d; 1, 2, 3) to <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<italic>p, q</italic> &#x3d; 1, 2, &#x2026;, 6) whereby.</p>
<p>11&#x2192;1, 22&#x2192;2, 33&#x2192;3, 23&#x2192;4, 13&#x2192;5, and 12&#x2192;6. (5)</p>
<p>The second-order tensor <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is replaced hereafter with a 6 by 6 matrix <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al., 1984</xref>),<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>31</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</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:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</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:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</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>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>66</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The medium has 9 independent second-order elastic constants because of the symmetry of <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and 20 third-order elastic constants with the following symmetry,<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>111</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>222</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>333</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>144</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>255</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>366</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>112</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>223</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>133</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>113</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>122</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>233</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>155</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>244</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>344</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>166</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>266</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>355</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>123</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>456</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s1-2">
<title>Acoustoelastic Constants</title>
<p>Compared to the linear elasticity with two elastic constants for an isotropic medium, the third-order nonlinear elasticity invokes three additional elastic constants (sometimes called <italic>A</italic>, <italic>B</italic>, and <italic>C</italic>) (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Green, 1973</xref>). Following <xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu (1996)</xref>, the static strain tensor caused by static loading with respect to the natural state can be expressed as a function of <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>,<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</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:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The elastic strain energy density is expressed as<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m27">
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the shear modulus, <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the bulk modulus, and (<italic>A</italic>, <italic>B</italic>, <italic>C</italic>) are the third-order elastic constants. We see that there are two sources of nonlinearity in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eqs. 8, 9</xref>, as described by <xref ref-type="bibr" rid="B29">Pau and Vestroni (2019)</xref>, one from the geometrical nonlinearity term in the strain tensor and the other from the cubic terms referred to physical nonlinearity through the potential energy.</p>
<p>For infinitesimally small strains, the geometrical nonlinearity term in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eq. 8</xref> and the cubic terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq. 9</xref> are negligible, leading to the standard equation of linear elasticity. The (<italic>A</italic>, <italic>B</italic>, <italic>C</italic>) nomenclature used above is common, but it is not universal. <xref ref-type="bibr" rid="B9">Green (1973)</xref> presents a table that correlates five definitions of the third-order elastic constants used by different authors. With the <xref ref-type="bibr" rid="B8">Goldberg, 196</xref>1, the third-order elastic constants <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be represented by<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>111</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>333</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>133</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>113</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>155</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>355</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>111</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>113</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Based on the above third-order elastic constants and the Voigt abbreviated symbol in Eq. 5, the second-order effective elastic constants <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a 2D homogeneous medium can be reduced to<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m32">
<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:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>51</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the components of the total prestrain tensor, and <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the Lam&#xe9; constants in the initial configuration.</p>
</sec>
<sec id="s1-3">
<title>Plane-Wave Analysis</title>
<p>The plane-wave analysis of acoustoelastic equations provides a simple way to understand the physics of wave propagation in acoustoelastic media. In this section, we follow the plane-wave analysis in Section 3.2 of <xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al. (1984)</xref>, with attempts to compare with experimental measurements (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>). The resulting analytical solution will be used to validate our numerical results.</p>
<p>Let us assume that the displacement components in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> can be described by a time-harmonic plane wave,<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the angular frequency, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the component of the wave normal (a unit vector), <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the wave number with the wave velocity <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the amplitude constant, and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m42">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Substituting<xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref> into (1), we obtain a system of equations for the amplitude vector <bold>U</bold>,<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Considering the case of orthotropic predeformations, the orthotropic body possesses three axes of symmetry, called the principal axes of orthotropy. For a plane wave propagating in the direction of the <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> can be simplified to<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref> has a solution under the condition that the determinant of coefficients is zero, namely,<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>det</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The corresponding characteristic equation in the contracted notation is,<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mtext>det</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>54</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>45</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>34</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where the second-order effective elastic constants are defined by <xref ref-type="bibr" rid="B27">Pao et al. (1984)</xref> as<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m49">
<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:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>331</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>332</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>333</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>441</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>442</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>443</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>551</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>552</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>553</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>34</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>344</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>355</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>31</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>45</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>54</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>456</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Because <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is in the direction of one of the strains, we have <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>43</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0 (due to <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>31</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> reduces to<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>45</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The solution to this equation for three eigenvalues can be obtained in terms of the following two cases. For the cubic-symmetric medium under the confining prestress, the resulting three eigenvalues lead to one longitudinal mode and two transverse modes as follows,<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the symmetric plane, for example when <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 0&#xb0;, the velocities can be expressed as (<xref ref-type="bibr" rid="B43">Zong, 2014</xref>)<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows the definition of angles <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>1</sub>, <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>2</sub>, and <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>3</sub>, where <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>1</sub> is the angle between the <italic>z</italic>-axis and the line linking a point in the space and the origin of coordinates, <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>2</sub> is the angle between the <italic>x</italic>-axis and the projection line on the <italic>xoy</italic> plane, and <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>3</sub> is the angle between the <italic>y</italic>-axis and the projection line on the <italic>xoy</italic> plane. These angles define the relationship between the reference-coordinate and orthotropy axes which should be coincident for the cases of confining stress, uniaxial stress, and pure shear stress, but with a difference of 45&#xb0; for the case of simple shear stress. We see that these modes are strongly related to stress changes. The stress-induced velocity anisotropies depend on the orientation of external stresses.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Schematic diagram in the rectangular coordinate system.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g001.tif"/>
</fig>
<p>Based on the experimental measurements (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>) under the hydrostatic pressures for Portland sandstone, we calculate velocities for the longitudinal mode against pressure. The physical constants for the simulation are picked from Tables III-IV of (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>). The prestress condition in the simulation is regarded as the confining stress with its implementation described in detail in Section 4.1. The result is shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, where the circles (experimental measurements) are obtained by picking the pixel coordinates in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> of (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>). We see a weak nonlinearity for velocity variations with increasing pressures, resulting from the third-order elasticity with a cubic term for the strain energy function. Some departures from experimental measurements can be observed during the pressure of 20&#x2013;60&#xa0;MPa possibly because of the deformation of pores in the sandstone which the third-order elasticity for solids cannot account for. In general, for most consolidated rocks, the third-order elasticity could be enough to describe the nonlinear stress dependence of velocity variations.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Velocities (solid line) of the longitudinal mode as a function of pressure based on the experimental measurements (circles) of hydrostatic pressure (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>) for Portland sandstone.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s1-4">
<title>Numerical Methodolgy</title>
<sec>
<title>Velocity&#x2013;Stress Version of Acoustoelastic Equations for Space- and Time-Derivative Approximations</title>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> can be written as the first-order velocity-stress equation,<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are velocity and stress, respectively. With <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> and the Cartesian tensor notation with the <italic>x</italic>- and <italic>z</italic>-coordinates for convenience, we rewrite <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> as its velocity-stress FD formulation,<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The nonlinear effect of predeformation is introduced by the effective elastic constants. <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equation 23</xref> can be reduced to the classical elastic wave equation when no static stress is applied.</p>
<p>The SSG-FD method is widely used in seismology to simulate elastic wave propagation. The method defines velocity components, stress components, and physical properties in four grids crosswise shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>, whereas the RSG-FD method defines velocity components in one grid and stress components and elastic parameters in another grid shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>. The RSG-FD method is employed in this study to solve the first-order velocity-stress acoustoelastic equations.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of finite difference operators for SSG <bold>(A)</bold> and RSG <bold>(B)</bold>. The SSG defines normal stress and all physical parameters in the solid squares, and shear stress in the solid circle, but with horizontal and vertical velocities in the downward and upward triangles, respectively. The RSG defines horizontal and vertical velocities in the square, but with normal and shear stresses and all physical parameters in the circles, where the line represents the direction of differentiation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g003.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>, the RSG technique calculates the spatial derivative along the diagonal direction of grids, and then interpolates the result along the normal coordinate axis to obtain the spatial derivative along the horizontal and vertical directions. We rotate the direction of spatial derivatives from the horizontal (<inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m62">
<mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>) and vertical (<inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m63">
<mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>) directions to the diagonal directions (<inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="normal">z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<bold>)</bold> as<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant ="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant ="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant ="bold">z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant ="bold">z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant ="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant ="bold">z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The first-order spatial derivatives along the horizontal and vertical directions become,<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>With <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>, it is easy to define the differentiation operators <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which implement the spatial derivatives along diagonal directions (<inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in the time domain (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Saenger et al., 2000</xref>),<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>With <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eqs. 25</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, the numerical differentiation operators are obtained that perform the spatial derivatives along the <bold>x</bold> and <bold>z</bold> directions in the rotated staggered grid by a linear combination of the derivatives along the <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> directions,<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>A detailed process of the implementation of the RGS-FD scheme is addressed as follows.</p>
<p>By that analogy, we express the <italic>L</italic>-order RSG of each physical quantity in the discrete form as<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m77">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where the differential coefficients <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will be specified subsequently. For the time derivatives, we use the second-order FD approximation with <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for velocity, where <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the time step.</p>
</sec>
<sec id="s1-5">
<title>Simultaneous Matrix Equations</title>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref> into (23) and adding a source field in the simulation, we obtain the discrete form of the first-order velocity-stress acoustoelastic equations,<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m81">
<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>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>where the cap dot represents the first-order partial derivative of time, and <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the components of the external body force. The set of equations can be combined into a matrix system as<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mover>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mo>&#x02D9;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">Mv</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>where the product <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Mv</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Mv</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<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:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<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:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<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: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:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<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:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<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:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</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:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>and the source vector is<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the time integration from <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m87">
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the discretizing time as <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have,<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The set of <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref> can be combined into a matrix system as. <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant ="bold">n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s1-6">
<title>CPML Absorbing Boundary</title>
<p>The conventional PML absorption boundary is unable to handle the reflections (evanescent waves) at grazing incidences, especially for low-frequency components. The CPML absorption boundary improves the absorption effect of evanescent waves, with efficient computations by introducing auxiliary variables to avoid convolutional calculations that need to store past-time wavefields. The implementation of the CPML boundary does not need to split velocity and stress fields, and is easily incorporated into the RSG-FD program.</p>
<p>The CPML absorption boundary with the selection of parameters is detailed in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix</xref>. The algorithm is developed by modifying the complex coefficient <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and introducing the auxiliary variables <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the damping profile, and two real variables <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eB4">Eq. A4</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eB2">Eq. A2</xref> yields,<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a memory variable that can be rewritten as<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using an inverse Fourier transform to <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref>, we have,<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the inverse of <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This equation has an iterative solution of the form,<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Equation 37</xref> is derived simply by solving a first-order differential equation, leading to the same result in <xref ref-type="bibr" rid="B14">Komatitsch and Martin (2007)</xref> obtained by a recursive convolution method.</p>
<p>The CPML absorbing boundary for the first-order velocity-stress formulation of acoustoelastic equations can be implemented by 1) applying <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eqs. 27</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref> for the estimation of various memory variables in the rotated operators, 2) substituting these memory variables into <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">Eq. 34</xref> to obtain the spatial derivatives of all the field components in the stretched coordinates, and 3) substituting the resulting spatial derivatives into the velocity&#x2013;stress formulas (<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref>) to yield the following C-PML formulation of acoustoelastic equations,<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>35</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s1-7">
<title>Stability Analysis</title>
<p>The stability criterion for the velocity&#x2013;stress RSG-FD operator with equal grid spacings can be generally expressed as the following inequality (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Masson et al., 2006</xref>),<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>with<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the maximum phase velocity in the medium, <italic>D</italic> represents the spatial dimension, and <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the differential coefficients depending on the order of the spatial operator. For an eighth-order spatial and second-order temporal 2D FD operators with coefficients <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1225</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1024</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>245</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3072</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>49</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5120</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>7168</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can calculate <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m115">
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.5497.</p>
<p>Numerical dispersion is one of the main factors affecting the accuracy of the finite-difference method. To reduce the level of numerical dispersions in the RSG-FD method, a discretization interval should be selected to ensure a good number of grid points <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> per minimum wavelength, which is generally calculated by<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the minimum phase velocity and <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the maximum frequency, usually taken as four times the center frequency of the source. Dispersion errors accumulate with increasing propagation distances, which can be reduced by refining grids. Numerical experiments by <xref ref-type="bibr" rid="B4">Chen et al. (2006)</xref> show that no less than 3 grid points per wavelength are required for the RSG eighth-order operator.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s1-8">
<title>Numerical Examples</title>
<p>In this section, we calculate wavefield snapshots under various prestress conditions. The RSG-FD numerical method is applied to the first-order velocity-stress acoustoelastic equations. The effective second-order elastic constants, generally as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref>, can be further simplified in terms of prestressed conditions addressed as follows.</p>
<p>To simplify calculations, we set the <italic>y</italic>-direction of the model to infinity, so that the 3D case is simplified into a plane strain problem. Numerical examples are calculated using the properties from the Portland sandstone (807 &#xd7; 807) mm with the bulk and shear moduli and density set to 9.7&#xa0;GPa, 7.3&#xa0;GPa, and 2,140&#xa0;kg/m<sup>3</sup> (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Winkler and Liu, 1996</xref>), respectively. The third-order elastic constants (<italic>A</italic>, <italic>B</italic>, <italic>C</italic>) &#x3d; (&#x2212;1,122, &#x2212;419, &#x2212;340) GPa. The RSG-FD numerical simulation is conducted by the eighth-order spatial and second-order temporal FD operators. The source is a vertical force located at the center of the model domain with the time history,<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>where the central frequency <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1.42 MHz, and <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a delay time. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">Eq. 35</xref> where the maximum frequency <italic>f</italic>
<sub>max</sub> &#x3d; 4<italic>f</italic>
<sub>0</sub> and <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Chen et al., 2006</xref>), we obtain <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>1704</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>m</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the condition of stability. Generally, for a given frequency, we determine the maximum velocity of the medium <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at a maximum prestress 50&#xa0;MPa, but with <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at 0&#xa0;MPa. From the parameters listed above, we can obtain <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 3,528&#xa0;m/s at 50&#xa0;MPa and <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>min</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1,848&#xa0;m/s at 0&#xa0;MPa, which enables a time step of 2&#x22c5;10<sup>&#x2013;7</sup>&#xa0;s and a grid size of 10<sup>&#x2013;4</sup>&#xa0;m to satisfy the condition of stability.</p>
<sec id="s1-9">
<title>Acoustoelastic Simulation Under the Confining Prestress</title>
<p>For this case, the stress field is isotropic under the hydrostatic stress <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m129">
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, leading to the same stress and strain in all the directions. The principal strain components can be expressed as,<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting into <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> leads to a stiffness matrix<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m131">
<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:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>51</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</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:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Wavefield snapshots are calculated with increasing hydrostatic stresses, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> for the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms. We see that the stress-induced velocity variations are isotropic, with the amplitude along the wavefront changing in accordance with the characteristics of a vertical force source. We calculate the theoretical wave velocity by <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eqs. 20</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> compares the theoretical and simulated wave velocities at the same angle but with different prestresses. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> compares the theoretical and calculated wave velocities under the same pressure (10&#xa0;MPa) but with different directions. Both the theoretical and simulated wave velocities agree well under the different prestress conditions. These comparisons validate numerical simulations at least in travel time.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Wavefield snapshots of the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms for various hydrostatic stresses.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparison of the theoretical and calculated wave velocities for both the P-wave and S-wave as a function of hydrostatic prestresses (<italic>&#x3b8;</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; 0&#xb0;).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g005.tif"/>
</fig>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Comparison of the theoretical and calculated wave velocities for both the P-wave and S-wave under the same pressure (10&#xa0;MPa) but with different directions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s1-10">
<title>Acoustoelastic Simulation Under the Uniaxial Prestress</title>
<p>For this case, the stress field is anisotropic under the uniaxial stress <italic>P</italic>. The principal strain components can be expressed as<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The corresponding stiffness matrix becomes,<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m133">
<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:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>51</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</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:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> shows the wavefield snapshots with increasing uniaxial stresses for the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms. With increasing uniaxial stresses, the P-wave and S-wave are gradually coupled together, with the wavefronts of qP-wave and qS-wave becoming more elliptical due to the stress-induced anisotropy of velocities. For <italic>p</italic> &#x3d; 10&#xa0;MPa, the qP-wave becomes elliptical slightly, but the qS-wave is almost a circle. For <italic>p</italic> &#x3d; 30&#xa0;MPa, we see a trigeminal region occurring symmetrically to connect the qS-wave and the qP-wave. The oval aspect ratio of the qP-wave becomes larger, implying an increasing velocity anisotropy on the longitudinal and transverse symmetry axes. For <italic>p</italic> &#x3d; 50&#xa0;MPa, we see more pronounced trigeminal region, approximately rhombic qS-wave, and elliptical qP-wave. Under the anisotropic predeformed condition, the polarization direction changes with the propagation direction, but neither parallel nor perpendicular to the propagation direction. These polarized waves are usually denoted by qP and qS, with their wavefronts deforming along the <italic>x</italic>-axis as the uniaxial stress increases. The azimuthal anisotropy of qP-wave is more and more obvious than that of the qS-wave, consistent with the mechanical mechanism of uniaxial stress. We calculate the principal strain direction according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Eq. 45</xref> and mark it in the figure. It coincides with the directions of maximum/minimum velocities, which validates our numerical simulations. Thus, the directions of the velocity principal axis can indicate the directions of the principal strain for this case.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Wavefield snapshots of the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms for various uniaxial stresses. The arrow indicates the principal strain direction calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">Eq. 45</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s1-11">
<title>Acoustoelastic Simulation Under the Shear Prestress</title>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, the shear prestress can be classified into two cases: pure-shear and simple-shear deformations (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Means and Williams, 1976</xref>). Different pre-deformations correspond to the different geological features. In order to identify these geological features in the seismic wave field, the simulations of pure shear and simple shear wavefield are carried out. For the former (see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref>), the principal strain direction does not rotate with the progression of deformations, which is also called the non-rotational deformation or the coaxial deformation. In this case, the horizontal elongation and vertical contraction of deformations occur simultaneously under the uniaxial loading. The geological tensile and compressive effects produce a pure shear deformation.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Schematic diagram of the deformation progression for pure <bold>(A)</bold> and simple <bold>(B)</bold> shear deformations.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g008.tif"/>
</fig>
<p>The principal strain components for the pure-shear prestress become,<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>yielding the following stiffness matrix,<disp-formula id="e48">
<mml:math id="m135">
<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:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">,</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</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:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>51</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(48)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Wavefield snapshots are calculated with increasing pure-shear stresses and shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> for the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms. Similar to the case of uniaxial stresses, the circular wavefront at 0&#xa0;MPa becomes more and more elliptical with increasing pure-shear stresses. The same changes in azimuthal anisotropy and amplitude can be seen as the uniaxial case. Unlike the uniaxial pressure condition, the absolute values of strains along the two axes of a pure-shear stress field are the same, implying that the stress-induced velocity anisotropy is more sensitive under the pure-shear prestress. Therefore, the velocities of qP-wave and qS-wave increase much more in the <italic>z</italic>-axis direction compared to the uniaxial case, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. We also calculate the principal strain direction according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Eq. 47</xref> and mark it in the figure. It coincides with the directions of maximum/minimum velocities. Similarly, the directions of the velocity principal axis indicate the directions of the principal strain.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Wavefield snapshots of the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms for various pure-shear stresses. The arrow indicates the principal strain direction calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Eq. 47</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g009.tif"/>
</fig>
<p>The deformation under the simple-shear prestress, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8B</xref>, is rotational deformation or non-coaxial deformation. The direction and magnitude of two principal strains vary with increasing shear stresses, except for the strain parallel to the shear plane. Simple shear deformation is caused by shear sliding of a series of parallel sliding layers. For the simple-shear prestress, we have,<disp-formula id="e49">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(49)</label>
</disp-formula>with the stiffness matrix as<disp-formula id="e50">
<mml:math id="m137">
<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:mrow>
<mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>55</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>53</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>51</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>13</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(50)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Wavefield snapshots are calculated with increasing shear stresses and shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> for the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms, respectively. We see that the wavefront characterizes the orientation of stresses. The stress-induced anisotropy becomes stronger with increasing stresses. Unlike the pure-shear stress loading, the axis of symmetry rotates in terms of stress orientations, which is consistent with the characteristics of shear stresses. The wavefronts of qP-wave and qS-wave become more elliptical and rotational with increasing shear stresses.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Wavefield snapshots of the <italic>x</italic>-component of the particle velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.12&#xa0;ms for various simple shear stresses. The arrow indicates the principal strain direction calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e49">Eq. 49</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g010.tif"/>
</fig>
<p>To improve the understanding of the phenomenon observed in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F10">10</xref>, we compare the changes in the P-wave velocity with <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>1</sub> under both the pure-shear and simple-shear conditions, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>. We see that the principal axis in the simple-shear case is shifted by about 45&#xb0; relative to that in the pure-shear case, which is consistent with the direction by a shift of the principal strain axis. Therefore, the shift of the velocity principal axis direction can be used to judge the geological characteristics of the region.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Variations of P-wave velocity against <italic>&#x3b8;</italic>
<sub>1</sub> under the pure-shear (solid line) and simple-shear (dashed line) conditions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g011.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s1-12">
<title>Acoustoelastic Simulation for a Double-Layer Model</title>
<p>The double-layer model, separated by a plane interface, is presented to investigate the reflection/transmission at the interface under the four different cases of loading prestress. The upper medium has the same properties as previous simulations. The lower medium has <italic>K</italic> &#x3d; 5.6 GPa, <italic>&#x3bc;</italic> &#x3d; 2.3 GPa (<italic>A</italic>, <italic>B</italic>, <italic>C</italic>) &#x3d; (-23, -10, -13) GPa, and <italic>&#x3c1;</italic> &#x3d; 1,200&#xa0;kg/m<sup>3</sup>. Consider an interface between two elastic media indicated by the &#x2b; and - superscripts. The boundary condition at the interface requires the continuity of tractions and displacements. These conditions could be written as<disp-formula id="e51">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(51)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the unit normal to the interface. Einstein&#x2019;s summation convention for repeating indices is assumed.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref> shows the <italic>x</italic>-component of the particle velocity snapshots at <italic>t</italic> &#x3d; 0.08&#xa0;ms under four different prestress conditions: hydrostatic, uniaxial stress, pure-shear, and simple-shear stresses. The location of the source is marked by a star in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12A</xref>. All the wave types of reflection/transmission can be observed from these snapshots which illustrate that the stress-induced velocity anisotropy is strongly related to the orientation of prestresses.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Wavefield snapshots of the <italic>x</italic>-component of velocity at <italic>t</italic> &#x3d; 0.08&#xa0;ms for a double-layer model under various hydrostatic stresses <bold>(A)</bold>, uniaxial stresses <bold>(B)</bold>, pure-shear stresses <bold>(C)</bold>, and simple-shear stresses <bold>(D)</bold>. The location of the source is marked by a star in the figure. The consecutive wavefronts include P-wave (P), S-wave (S), P-wave reflection (PP), S-wave reflection (SS), P-wave converted S-wave (PS), and S-wave converted P-wave (SP) are observed.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-886920-g012.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s2">
<title>Conclusion</title>
<p>Acoustoelastic theory describes wave propagation in prestressed media and relates elastic wave velocities to prestresses, resulting from the third-order elasticity with a cubic term for the strain energy function. We propose an acoustoelastic modeling scheme for elastic wave propagation in prestressed media based on the RSG-FD method with the CPML absorbing boundary. The RSG-FD numerical method is applied to the first-order velocity-stress acoustoelastic equations. We address several aspects in the numerical implementation. Four states of prestress, confining-hydrostatic, uniaxial-stress, pure-shear, and simple-shear patterns, are investigated with different simplified stiffness matrices to model the prestress-induced anisotropy of velocities and its effect on the characteristics of wavefronts. The main conclusions can be summarized as follows.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) A plane-wave analysis combined with closed-pore jacketed sandstone experiments illustrates the effect of third-order elastic constants on the P- and S-wave velocities under various prestresses. For most consolidated rocks, the third-order elasticity could be enough to describe the nonlinear stress dependence of velocity variations.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) We partially validate the presented numerical scheme by the plane-wave theoretical solution. Comparisons between theoretical and calculated wave velocities are performed at the same angle but with different prestresses and under the same pressure (10&#xa0;MPa) but with different directions, respectively.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) Acoustoelastic simulations demonstrate that the confining prestress leads to the same stress and strain in all the directions, yielding isotropic velocity variations, whereas the uniaxial stress generates an anisotropic stress field, making the P-wave and S-wave be gradually coupled together, with the wavefronts of qP-wave and qS-wave becoming more elliptical due to the stress-induced anisotropy of velocities.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>4) The pure-shear prestress with a coaxial deformation (horizontal elongation and vertical contraction) induces obvious elliptical wavefronts because of the stress-induced anisotropy of velocities that, unlike the uniaxial prestress, becomes more sensitive to the <italic>z</italic>-axis direction along which the velocities of qP-wave and qS-wave increase much more compared with the uniaxial case.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>5) Unlike the pure-shear stress loading, the simple-shear prestress with a non-coaxial rotational deformation rotates the axis of symmetry in terms of stress orientations. The direction and magnitude of strains vary with increasing shear stresses, except for the strain parallel to the shear plane. The stress-induced anisotropy of velocities is sensitive to the orientation of stresses. the wavefronts of qP-wave and qS-wave become more elliptical and rotational with increasing shear stresses.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>6) Numerical acoustoelastic simulations provide us with the possibility to explore wave propagation in deep high-pressure formations. However, the third-order elastic constants used are limited to isotropic solid media without microstructures. Considering that fractures are sensitive to prestress conditions, we will develop numerical schemes for anisotropic acoustoelastic equations of fractured media in the near future.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s3">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Author Contributions</title>
<p>L-YF and HY conceive this research. HY writes the manuscript and prepares the figures. L-YF and B-YF reviews and supervises the manuscript. The coauthors TM are involved in the discussion of the manuscript. All authors finally approve the manuscript and thus agree to be accountable for this work.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Funding</title>
<p>The research was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 41,821,002, 41,720,104,006).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s6">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s7">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alkhimenkov</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>R&#xe4;ss</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khakimova</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quintal</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Podladchikov</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Resolving Wave Propagation in Anisotropic Poroelastic media Using Graphical Processing Units (GPUs)</article-title>. <source>J. Geophys. Res. Solid Earth</source> <fpage>e2020JB021175</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020jb021175</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Carcione</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Staggered Mesh for the Anisotropic and Viscoelastic Wave Equation</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>64</volume>, <fpage>1863</fpage>&#x2013;<lpage>1866</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.1444692</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Carcione</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <source>Wavefields in Real Media: Wave Propagation in Anisotropic, Anelastic, Porous and Electromagnetic Media</source>. <edition>2nd Edn.</edition> <publisher-name>Elsevier Science</publisher-name>. </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Parallel Numerical Simulation of the Ultrasonic Waves in a Prestressed Formation</article-title>. <source>Ultrasonics</source> <volume>44</volume>, <fpage>e1013</fpage>&#x2013;<lpage>e1017</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ultras.2006.05.049</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Crase</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>High-order (Space and Time) Finite-Difference Modeling of the Elastic Wave Equation</article-title>. <source>60th Annu. Internat. Mtg., Soc. Expl. Geophys., Expanded Abstr.</source> <volume>90</volume>, <fpage>987</fpage> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fehler</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brown</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>An Approach for Predicting Stress-Induced Anisotropy Around a Borehole</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>78</volume>, <fpage>D143</fpage>&#x2013;<lpage>D150</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/geo2012-0145.1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>An Improved Rotated Staggered-Grid Finite-Difference Method with Fourth-Order Temporal Accuracy for Elastic-Wave Modeling in Anisotropic media</article-title>. <source>J. Comput. Phys.</source> <volume>350</volume>, <fpage>361</fpage>&#x2013;<lpage>386</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcp.2017.08.053</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goldberg</surname>
<given-names>Z. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1961</year>). <article-title>Interaction of Plane Longitudinal and Transverse Elastic Waves</article-title>. <source>Sov. Phys. Acoust.</source> <volume>63</volume>, <fpage>306</fpage>&#x2013;<lpage>310</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Green</surname>
<given-names>R. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1973</year>). <article-title>Ultrasonic Investigation of Mechanical Properties</article-title>.&#x201d; in <source>Treatise on Materials Science and Technology</source>, <volume>Vol. 3</volume>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Academic Press</publisher-name>. </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gregor</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moczo</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kristek</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mesgouez</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lefeuve-Mesgouez</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kristekova</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Subcell-resolution Finite-Difference Modelling of Seismic Waves in Biot and JKD Poroelastic media</article-title>. <source>Geophys. J. Int.</source> <volume>224</volume>, <fpage>760</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/gji/ggaa454</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McMechan</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Sensitivity of Three-Component 3D Finitedifference Elastic Seismic Modeling to Inclusion Parameters in HTI and TTI media with High Inclusion Density</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>75</volume>, <fpage>48</fpage>&#x2013;<lpage>61</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.3358159</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Burns</surname>
<given-names>D. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Toks&#xf6;z</surname>
<given-names>M. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <source>The Effect of Stresses on the Sound Velocity in Rocks: Theory of Acoustoelasticity and Experimental Measurements</source>. <comment>Tech. Report</comment>. <publisher-loc>Boston</publisher-loc>: <publisher-name>Earth Resources Laboratory, Massachusetts Institute of Technology</publisher-name>. </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>P. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shankland</surname>
<given-names>T. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1989</year>). <article-title>Nonlinear Generation of Elastic Waves in Granite and sandstone: Continuous Wave and Travel Time Observations</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>94</volume>, <fpage>17729</fpage>&#x2013;<lpage>17733</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/jb094ib12p17729</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Komatitsch</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martin</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>An Unsplit Convolutional Perfectly Matched Layer Improved at Grazing Incidence for the Seismic Wave Equation</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>72</volume>, <fpage>SM155</fpage>&#x2013;<lpage>SM167</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.2757586</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Luo</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Acoustoelastic Effect Simulation by Time-Space Finite Element Formulation Based on Quadratic Interpolation of the Acceleration</article-title>. <source>Wave Motion</source> <volume>93</volume>, <fpage>102465</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.wavemoti.2019.102465</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lisitsa</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vishnevskiy</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Lebedev Scheme for the Numerical Simulation of Wave Propagation in 3D Anisotropic Elasticity&#x2021;</article-title>. <source>Geophys. Prospecting</source> <volume>58</volume>, <fpage>619</fpage>&#x2013;<lpage>635</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2478.2009.00862.x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Q. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sinha</surname>
<given-names>B. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Multipole Acoustic Waveforms in Fluid&#x2010;filled Boreholes in Biaxially Stressed Formations: A Finite&#x2010;difference Method</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>65</volume>, <fpage>190</fpage>&#x2013;<lpage>201</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.1444710</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lys</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Romenski</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tcheverda</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Epov</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Epov</surname>
<given-names>M. I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). &#x201c;<article-title>Finite-difference Simulation of Wave Propagation through Prestressed Elastic media</article-title>,&#x201d; in <source>International Conference on Finite Difference Methods</source> (<publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>282</fpage>&#x2013;<lpage>289</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-319-20239-6_30</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Martin</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Komatitsch</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>An Unsplit Convolutional Perfectly Matched Layer Technique Improved at Grazing Incidence for the Viscoelastic Wave Equation</article-title>. <source>Geophys. J. Int.</source> <volume>179</volume>, <fpage>333</fpage>&#x2013;<lpage>344</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-246x.2009.04278.x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Masson</surname>
<given-names>Y. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pride</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nihei</surname>
<given-names>K. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Finite Difference Modeling of Biot&#x27;s Poroelastic Equations at Seismic Frequencieserence Modeling of Biot&#x2019;s Poroelastic Equations at Seismic Frequencies</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>111</volume>, <fpage>B10305</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2006jb004366</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mavko</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mukerji</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Godfrey</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Predicting Stress&#x2010;induced Velocity Anisotropy in Rocks</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>60</volume>, <fpage>1081</fpage>&#x2013;<lpage>1087</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.1443836</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Means</surname>
<given-names>W. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>P. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1976</year>). <source>An Outline of Structural Geology</source>. <publisher-name>John Wiley</publisher-name>. </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meegan</surname>
<given-names>G. D.</given-names>
<suffix>Jr</suffix>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>P. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guyer</surname>
<given-names>R. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McCall</surname>
<given-names>K. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Observations of Nonlinear Elastic Wave Behavior in sandstone</article-title>. <source>The J. Acoust. Soc. America</source> <volume>94</volume>, <fpage>3387</fpage>&#x2013;<lpage>3391</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.407191</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moczo</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gregor</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kristek</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de&#xa0;la&#xa0;Puente</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A Discrete Representation of Material Heterogeneity for the Finite-Difference Modelling of Seismic Wave Propagation in a Poroelastic Medium</article-title>. <source>Geophys. J. Int.</source> <volume>216</volume>, <fpage>1072</fpage>&#x2013;<lpage>1099</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/gji/ggy412</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moczo</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kristek</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vavry&#x10d;uk</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Archuleta</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Halada</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>3D Heterogeneous Staggered-Grid Finite-Difference Modeling of Seismic Motion with Volume Harmonic and Arithmetic Averaging of Elastic Moduli and Densities</article-title>. <source>Bull. Seismological Soc. America</source> <volume>92</volume>, <fpage>3042</fpage>&#x2013;<lpage>3066</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1785/0120010167</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Norris</surname>
<given-names>A. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1983</year>). <article-title>Propagation of Plane Waves in a Pre&#x2010;stressed Elastic Medium</article-title>. <source>J. Acoust. Soc. America</source> <volume>74</volume>, <fpage>1642</fpage>&#x2013;<lpage>1643</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.390131</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pao</surname>
<given-names>Y.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sachse</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fukuoka</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1984</year>). &#x201c;<article-title>Acoustoelasticity and Ultrasonic Measurements of Residual Stresses</article-title>,&#x201d;in <source>Physical Acoustics, Principles and Methods</source>. Editors <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Mason</surname>
<given-names>W. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thurston</surname>
<given-names>R. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<publisher-loc>Orlando</publisher-loc>: <publisher-name>Academic Press</publisher-name>), <volume>17</volume>, <fpage>61</fpage>&#x2013;<lpage>143</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pao</surname>
<given-names>Y. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gamer</surname>
<given-names>U.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Acoustoelastic Waves in Orthotropic media</article-title>. <source>J. Acoust. Soc. America</source> <volume>77</volume>, <fpage>806</fpage>&#x2013;<lpage>812</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.392384</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pau</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vestroni</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>The Role of Material and Geometric Nonlinearities in Acoustoelasticity</article-title>. <source>Wave Motion</source> <volume>86</volume>, <fpage>79</fpage>&#x2013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.wavemoti.2018.12.005</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pei</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>L.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Anisotropic Finite-Difference Algorithm for Modeling Elastic Wave Propagation in Fractured Coalbeds</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>77</volume>, <fpage>C13</fpage>&#x2013;<lpage>C26</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/geo2010-0240.1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saenger</surname>
<given-names>E. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bohlen</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Finite&#x2010;difference Modeling of Viscoelastic and Anisotropic Wave Propagation Using the Rotated Staggered Grid</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>69</volume>, <fpage>583</fpage>&#x2013;<lpage>591</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.1707078</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saenger</surname>
<given-names>E. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gold</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Modeling the Propagation of Elastic Waves Using a Modified Finite-Difference Grid</article-title>. <source>Wave Motion</source> <volume>31</volume>, <fpage>77</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0165-2125(99)00023-2</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saenger</surname>
<given-names>E. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shapiro</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Effective Velocities in Fractured media: a Numerical Study Using the Rotated Staggered Finite-Difference Grid</article-title>. <source>Geophys. Prospect.</source> <volume>50</volume>, <fpage>183</fpage>&#x2013;<lpage>194</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1046/j.1365-2478.2002.00309.x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seron</surname>
<given-names>F. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Badal</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sabadell</surname>
<given-names>F. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>A Numerical Laboratory for Simulation and Visualization of Seismic Wavefields1</article-title>. <source>Geophys. Prospect.</source> <volume>44</volume>, <fpage>603</fpage>&#x2013;<lpage>642</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-2478.1996.tb00168.x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shams</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Destrade</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ogden</surname>
<given-names>R. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Initial Stresses in Elastic Solids: Constitutive Laws and Acoustoelasticity</article-title>. <source>Wave Motion</source> <volume>48</volume>, <fpage>552</fpage>&#x2013;<lpage>567</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.wavemoti.2011.04.004</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sinha</surname>
<given-names>B. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kostek</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Stress&#x2010;induced Azimuthal Anisotropy in Borehole Flexural Waves</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>61</volume>, <fpage>1899</fpage>&#x2013;<lpage>1907</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.1444105</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Thurston</surname>
<given-names>R. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brugger</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1964</year>). <article-title>Third-order Elastic Constants and the Velocity of Small Amplitude Elastic Waves in Homogeneously Stressed media</article-title>. <source>Phys. Rev.</source> <volume>133</volume>, <fpage>1604</fpage>&#x2013;<lpage>1610</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrev.133.a1604</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Toupin</surname>
<given-names>R. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bernstein</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1961</year>). <article-title>Sound Waves in Deformed Perfectly Elastic Materials. Acoustoelastic Effect</article-title>. <source>J. Acoust. Soc. America</source> <volume>33</volume>, <fpage>216</fpage>&#x2013;<lpage>225</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.1908623</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Virieux</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1986</year>). <article-title>P-SV Wave Propagation in Heterogeneous media: Velocity&#x2010;stress Finite&#x2010;difference Method</article-title>. <source>Geophysics</source> <volume>51</volume>, <fpage>889</fpage>&#x2013;<lpage>901</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1190/1.1442147</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Winkler</surname>
<given-names>K. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1996</year>). <article-title>Measurements of Third&#x2010;order Elastic Constants in Rocks</article-title>. <source>J. Acoust. Soc. America</source> <volume>100</volume>, <fpage>1392</fpage>&#x2013;<lpage>1398</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.415986</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ng</surname>
<given-names>C. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mohabuth</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kotousov</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Finite Element Prediction of Acoustoelastic Effect Associated with Lamb Wave Propagation in Pre-stressed Plates</article-title>. <source>Smart Mater. Struct.</source> <volume>28</volume>, <fpage>095007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-665x/ab2dd3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>L.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Finite Difference Modeling of Ultrasonic Propagation (Coda Waves) in Digital Porous Cores with Un-split Convolutional PML and Rotated Staggered Grid</article-title>. <source>J. Appl. Geophys.</source> <volume>104</volume>, <fpage>75</fpage>&#x2013;<lpage>89</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jappgeo.2014.02.012</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zong</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <source>Elastic Properties of Salt: Laboratory Measurements, Well-Log Analysis, and a Seismic Survey over the Hockley Salt Mine, Texas. Master Thesis</source>. <publisher-loc>Texas</publisher-loc>: <publisher-name>University of Houston</publisher-name>. </citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>CPML Absorbing Boundary</title>
<p>This appendix summarizes the CPML absorption boundary (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Komatitsch and Martin, 2007</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Martin and Komatitsch, 2009</xref>). The conventional PML absorption boundary formulates various memory variables in the FD operator from the Cartesian coordinate to the complex coordinate by introducing a complex factor<disp-formula id="eB1">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A1)</label>
</disp-formula>where <italic>i</italic> &#x3d; <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>&#x3c9;</italic> is the angular frequency. The damping factor <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0 inside the computational domain and <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3e; 0 in the PML region. The regular coordinate variable <italic>x</italic> is replaced by the complex coordinate variable <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the corresponding differential operator as<disp-formula id="eB2">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A2)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="eB3">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The PML formulation is implemented directly by changing original wave equations written in terms of the variable <italic>x</italic> into new equations in terms of the variable <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The conventional PML absorption boundary suffers from poor accuracy at grazing incidences. It also requires much memory and computation. The problem is related to the complex coefficient <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in Eq. A3. The CPML approach improves the performance of the PML by introducing two auxiliary variables, <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The modified complex coefficient becomes<disp-formula id="eB4">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The CPML absorption boundary involves a number of absorption parameters. The maximum damping factor is usually set as<disp-formula id="eB5">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A5)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the maximum phase velocity in the medium, <italic>L</italic> is the thickness of the absorption boundary layer, <italic>R</italic> is the theoretical reflection coefficient, and <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m156">
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the order of the polynomial (typically 2 or 3). The damping factor can be determined by<disp-formula id="eB6">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the distance from the calculated point to the boundary. The other parameters are accordingly set as<disp-formula id="eB7">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A7)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="eB8">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>.<label>(A8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The auxiliary variable <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies linearly between 0 and <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the absorption region. We usually take <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the main frequency of the source. For <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is reduced to that of the conventional PML boundary.</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>