<?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. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1094077</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.1094077</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Theoretical analysis of guided waves propagation in periodic piezoelectric plates with shunting circuits</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Zhang et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2022.1094077">10.3389/fphy.2022.1094077</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Youqi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1988465/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>Rongyu</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1998930/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Kefu</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Zheng</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2083349/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Mechanics and Engineering Science</institution>, <institution>State Key Laboratory for Turbulence and Complex Systems</institution>, <institution>Peking University</institution>, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Mechanics and Aerospace Engineering</institution>, <institution>Southern University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Shenzhen</addr-line>, <country>China</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/1863771/overview">Xiaopeng Li</ext-link>, Toyota Research Institute of North America, United States</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/2095225/overview">Qian Wu</ext-link>, University of Missouri, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1978030/overview">Menglong Liu</ext-link>, Harbin Institute of Technology, Shenzhen, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Zheng Li, <email>lizheng@pku.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Physical Acoustics and Ultrasonics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>22</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1094077</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>09</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>05</day>
<month>12</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Zhang, Xia, Huang and Li.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Zhang, Xia, Huang and Li</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>The tunable manipulation of guided waves in plates brings out great potential applications in engineering practices, and the electromechanical coupling effects of piezoelectric material with shunting circuits have exhibited powerful tunability and flexibility for guided wave propagation. In this paper, a theoretical model is established to analyze the guided wave propagation in one-dimensional periodic piezoelectric plate constructed from a periodic array of anisotropic piezoelectric materials under periodic electrical boundary conditions. The extended Stroh formalism incorporating with the plane wave expansion method is developed to transform the wave motion equations of the periodic piezoelectric plate into a linear eigenvalue system, and a more concise and elegant solution of generalized displacement and generalized stress can be derived. There are various dispersion relations in terms of the altering electrical boundary conditions to be acquired, if the thin electrodes with shunting circuits are attached periodically to both surfaces of the piezoelectric plate. Analytical results show that the coupling of the local electric resonant mode and propagating elastic wave modes can induce hybridization bandgaps, and the bandgaps of Lamb waves and SH waves in the piezoelectric plate can be tuned by designing appropriate material polarization orientations and shunting circuits. In addition, the Bragg bandgaps can also be influenced by the external circuits. Results indicate that the proposed theoretical model can effectively analyze the performances of guided waves in periodic piezoelectric plate and provide useful theoretical guidance for designing smart wave control devices.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>metamaterials</kwd>
<kwd>phononic crystals</kwd>
<kwd>guided waves</kwd>
<kwd>piezoelectricity</kwd>
<kwd>electromechanical coupling</kwd>
<kwd>Stroh formalism</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">12172008 11991033</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>1 Introduction</title>
<p>Phononic crystals/metamaterials as kinds of artificial composite materials can achieve various fantastic performances [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] and have been attracting more and more attention for a wide variety of potential applications [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. Especially, phononic crystals/metamaterials with anomalous dynamic characteristics can fulfill special functions, like wave resistance [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], vibration reduction [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], vibration and wave motion control [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], which are significant for maintaining safety and stability of engineering structures. Phononic crystals are based on the Bragg scattering in periodic structures to reduce vibration and manipulate wave propagation by adjusting their band structures [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], and the most concern is the Bragg bandgaps. The wavelength corresponding to the Bragg bandgap is of the same order as the lattice constant. However, metamaterials mainly focus on the locally resonant bandgaps at lower frequency range by changing the local mechanical properties, and the vibration reduction and wave propagation can be controlled at a deeply subwavelength scale [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. Nowadays, many bandgap-based dynamic behavior altering design combine the characteristics of both phononic crystals and metamaterials [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], so there is no rigorous distinction between them.</p>
<p>The Bragg bandgaps of phononic crystals depend on the periodicity of the structure and are normally fixed and invariable. However, it is meaningful to design phononic crystals with tunable and controllable band structures in practical applications [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. Consequently, multi-physics coupling phononic crystals have been introduced to manipulate the performances of guided waves propagation by adjusting the multi-physics coupling effects. For one-dimensional piezoelectric or piezomagnetic phononic crystals, Guo et al. investigated the influences of initial stresses [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>], mechanically and dielectrically imperfect interfaces [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], and functionally graded interlayers [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] on the dispersion relations of elastic waves. For nanoscale periodic layered piezoelectric composites [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] or piezoelectric/piezomagnetic laminates [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>], the influences of nanoscale size and multi-physics coupling on elastic waves were discussed based on the non-local theory. For the piezoelectric plate with a periodic arrangement of electrodes on both surfaces, its electrical Bragg bandgaps can be optimized by changing the crystallographic orientation of the piezoelectric plate [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], and the Bragg gaps of guided wave modes can be controlled by the electrical boundary conditions <italic>via</italic> either floating potential or short circuit [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. However, most researches lack discussion on how to control the dynamic behaviors of the piezoelectric plate by using the electromechanical coupling effect, but it is vital for designing phononic crystals with the tunability of band structures.</p>
<p>Since 1979 Forward [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>] introduced electric damping to control the vibration of the structure, the design of piezoelectric transducers with shunting circuits has been applied to actively attenuate noise and vibration in structures [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]. In most cases, the periodic piezoelectric patches with shunting circuits are attached to the surfaces of elastic structures as metamaterials to change the equivalent properties of elastic materials, and the band structures of guided waves can be relatively manipulated by external circuits. For an elastic beam with periodic piezoelectric patches, its band structures can be altered by different external circuits to induce local resonances, such as inductance circuits [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], an inductor in series with a positive or negative resistor [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>], in series or in parallel negative capacitance and negative inductance circuits [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>] or digital circuits with feedback control loops [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]. Sugino et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>] proposed a piezoelectric bimorph beam with mechanical and electromechanical resonators, and two resonant bandgaps could be merged to form a broaden bandgap of flexural wave by altering the mechanical resonator and shunting circuit. For an elastic plate with periodic piezoelectric patches, different external circuits such as inductance-capacitance circuits [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>] or negative capacitance circuits [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>] have also been used to design the tunable band structures of Lamb waves and SH waves. However, for the multi-mode guided waves in piezoelectric plate, the interactions between mechanical and electric resonant modes are too difficult to analyze, so that the researches on the mechanism of manipulating guided wave propagation in piezoelectric plate with shunting circuits are relatively limited. For a homogeneous piezoelectric plate periodically covered electrodes with external circuits, spectral element method was applied to reveal the electromechanical coupling effect on the resonance bandgaps of symmetric mode Lamb waves by shunting inductance-capacitance circuits [<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>]. Kherraz et al. found the external inductance circuits could cause an electric resonant mode to form a hybridization bandgap by coupling with both symmetric and antisymmetric mode Lamb waves [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]. Nevertheless, there is no theoretical analysis of all guided wave modes in composite plates with alternative arrangements of different piezoelectric materials for a broad tunability range of guided waves, because it is too complicated to describe the electromechanical coupling effect on bandgaps induced by the coupling of shunting circuits and all guided wave modes. The very challenging task is how to study the wave motion in periodic piezoelectric plate by considering the anisotropic property of piezoelectric material and the electromechanical coupling effect of external circuits simultaneously.</p>
<p>As a representative theory of anisotropic elasticity, the Stroh formalism was established by Stroh [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>] in 1958 and systematically reconstructed by Ting [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>] and Tanuma [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>], and it has been developed to solve the static problems about piezoelectric and magneto-electro-elastic solids [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>], magneto-electro-elastic composite laminates [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>] and homogenized piezoelectric plates [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>]. For dynamic problems, the pseudo-Stroh formalism was proposed by solving the eigenvalue problem to conduct forced vibrations analysis [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>] and study the dynamic responses of piezoelectric plates [<xref ref-type="bibr" rid="B57">57</xref>] and magneto-electro-elastic plates [<xref ref-type="bibr" rid="B58">58</xref>]. Furthermore, based on the elegant mathematical form of Stroh formalism, the wave motion and dispersion relations of plates have been studied, such as SH waves in multilayered piezoelectric semiconductor plates [<xref ref-type="bibr" rid="B59">59</xref>], Lamb waves in piezoelectric and elastic multilayered plates [<xref ref-type="bibr" rid="B60">60</xref>], both Lamb waves and SH wave in a magneto-electro-elastic laminate [<xref ref-type="bibr" rid="B61">61</xref>] or in a single piezoelectric semiconductor plate [<xref ref-type="bibr" rid="B62">62</xref>]. Due to the unique piezoelectric effects of piezoelectric materials which can achieve energy conversion between electric fields and mechanical deformations, there are many smart devices to be made of piezoelectric materials. Although Stroh Formalism has been developed to be an efficient way for theoretically solving multi-physics coupling problems, it still needs to be improved to solve the wave propagation problems in anisotropic periodic piezoelectric plates, especially with external circuits. In fact, the periodic piezoelectric plate with shunting circuits can be treated as a perfect combination of phononic crystal with periodic structure and metamaterial with varying external circuits, and it can reveal more fascinating performances by periodic arrangement of piezoelectric materials and altering electrical boundary conditions.</p>
<p>In this paper, for a one-dimensional periodic piezoelectric plate, which consists of periodically alternating two piezoelectric materials with thin electrodes shunted electric circuits to be attached on both surfaces, a novel theoretical model based on Stroh formalism is proposed for investigating the propagation features of elastic waves in the periodic piezoelectric plate. The rest of the paper is organized as follows. In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the extended Stroh formalism is derived for the theoretical model of wave motion in a periodic piezoelectric plate, and the solutions of generalized displacement and generalized stress are provided based on the plane wave expansion method for calculating the dispersion relations by a linear superposition of the corresponding eigenvalues and eigenvectors. After that, the effects of electrical boundary conditions on the dispersion relations are discussed in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, and the corresponding dispersion relations of guided waves are derived for revealing the electromechanical effects. There are some typical examples to discuss the electromechanical coupling effects on guided waves by changing the polarizations of piezoelectric materials and the external circuits in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>. Finally, the conclusions of this paper are addressed in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Theoretical model of wave motion in periodic piezoelectric plate</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Wave equations of piezoelectric medium</title>
<p>For an anisotropic piezoelectric plate, if the 3D Cartesian coordinate system is coincident with its three material principal axes, the mechanical stress tensor <bold>
<italic>&#x3c3;</italic>
</bold> and the electric displacement vector <bold>D</bold> are related to the strain tensor <bold>
<italic>&#x25b;</italic>
</bold> and electric field vector <bold>E</bold> by the following constitutive equations,<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ijkl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">kij</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">jkl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m2">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>, <bold>u</bold> and <italic>&#x3d5;</italic> are the displacement vector and electric potential, and <bold>C</bold>, <bold>e</bold>, <bold>
<italic>&#x3f5;</italic>
</bold> are the elasticity tensor, piezoelectric tensor and dielectric tensor, respectively.</p>
<p>Because of the symmetry of piezoelectric material, there are <italic>C</italic>
<sub>
<italic>ijkl</italic>
</sub> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>
<italic>jikl</italic>
</sub> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>
<italic>ijlk</italic>
</sub> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>
<italic>klij</italic>
</sub>, <italic>e</italic>
<sub>
<italic>lij</italic>
</sub> &#x3d; <italic>e</italic>
<sub>
<italic>lji</italic>
</sub>, <italic>&#x25b;</italic>
<sub>
<italic>jk</italic>
</sub> &#x3d; <italic>&#x25b;</italic>
<sub>
<italic>kj</italic>
</sub>, and then Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">1</xref> can be rewritten as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m3">
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ijkl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">kij</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">jkl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>In order to unify the variables in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref>, the generalized displacement vector and generalized stress tensor are defined by<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m4">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>and a new material parameter tensor <bold>B</bold> is introduced as<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m5">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">IjKl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">IjKl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">lIj</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">jKl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>so that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">2</xref> can be written equivalently by<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m6">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">IjKl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3,4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the piezoelectric plate without body force and free charge, the dynamic governing equation and the electric equilibrium equation are given by<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m7">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>Based on the notations of generalized displacement vector and generalized stress tensor, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> can be simplified as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m8">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3,4</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>Combining Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref>, the wave equation of anisotropic piezoelectric plate can be derived as<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m9">
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">IjKl</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3,4</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>Therefore, the wave motion in piezoelectric plate can be obtained by solving Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> under initial and boundary conditions.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Periodic piezoelectric plate</title>
<p>Considering a piezoelectric composite plate with periodically alternating two piezoelectric materials in one dimensional series as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>, the Cartesian coordinate system with the original point lying at the center is used, and the plate has a finite thickness <italic>h</italic> along <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis and infinite size in <italic>x</italic>
<sub>2</sub> axis. The unit cell as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref> consists of two piezoelectric materials marked as part I (blue) and part II (gray) with segment lengths <italic>l</italic>
<sub>1</sub> and <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m10">
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> to form a symmetric structure along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis with the lattice constant <italic>l</italic> &#x3d; <italic>l</italic>
<sub>1</sub>&#x2b;<italic>l</italic>
<sub>2</sub>. Their material parameter tensors are <bold>B</bold>
<sub>I</sub> and <bold>B</bold>
<sub>II</sub>, and densities are <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>I</sub> and <italic>&#x3c1;</italic>
<sub>II</sub>. It needs to emphasize that the material parameter tensors <bold>B</bold>
<sub>I</sub> and <bold>B</bold>
<sub>II</sub> have to be transformed from their material coordinate system to Cartesian coordinate system before substituting into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>. Set the center of each unit cell as its location, the unit cells along the positive direction of <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis are listed as the 1<sup>st</sup>, 2<sup>nd</sup>, &#x22ef; , <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell in sequence, and the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell is located along the <italic>x</italic>
<sub>1</sub> coordinate axis in the range <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m11">
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> with the corresponding ranges of part I <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m12">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> and part II <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m13">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x222a;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>, separately.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Schematic of the periodic piezoelectric plate covered by periodic electrodes on both sides, <bold>(B)</bold> its corresponding unit cell, and <bold>(C)</bold> the considering electrical boundary conditions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g001.tif"/>
</fig>
<p>Due to the spatial periodicity of piezoelectric plate, the material parameter tensor <bold>B</bold> can be expanded into Fourier series in the <italic>x</italic>
<sub>1</sub> direction as<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m14">
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m15">
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:math>
</inline-formula> is the unit imaginary number, and <italic>m</italic> is integer. <bold>B</bold>
<sub>
<italic>m</italic>
</sub> is the Fourier expansion coefficient matrix for each unit cell, and it can be calculated for the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell by<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m16">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>so,<disp-formula id="equ4">
<mml:math id="m17">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>In addition, the density of the periodic plate can be silimlarly expanded into Fourier series as the material parameter tensor. For the spatial periodicity of piezoelectric plate along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis, the Fourier expansion coefficient matrix is the same for all the unit cells.</p>
<p>Here, we only consider the wave propagation along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> direction, and the plane strain condition is adopted [<xref ref-type="bibr" rid="B63">63</xref>] to simplify Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, i.e., <italic>&#x2202;</italic>/<italic>&#x2202;x</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 0. Therefore, the basic form of generalized displacement vector is<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <italic>k</italic>
<sub>1</sub> and <italic>k</italic>
<sub>3</sub> are the wave vector components along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axes, respectively, <italic>&#x3c9;</italic> is the angular frequency, <bold>a</bold> is the unknown coefficient vector. The periodicity along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> indicates that the solution of the generalized displacement vector can be expanded by the form of Fourier series based on the Bloch theorem as<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m19">
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>Substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">9</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">8</xref>, we obtain the generalized displacement vector in one-dimensional periodic structure as<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>In order to get the solution of generalized displacement, the main attention is focused on solving the wave vector component <italic>k</italic>
<sub>3</sub> and coefficient vectors <bold>a</bold>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 The extended Stroh formalism for elastic dynamics</title>
<p>For simplicity, several matrices related to are introduced as<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m21">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I1K1</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I1K3</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I3K3</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3,4</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>Because the material parameters are functions of <italic>x</italic>
<sub>1</sub>, then, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> is rewritten as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m22">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <bold>Y</bold> &#x3d; diag(1, 1, 1, 0). Substituting Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">12</xref>, and set <italic>p</italic> &#x3d; <italic>m</italic> &#x2b; <italic>n</italic>, we obtain<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m23">
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m24">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>If the elementary solution is set by<disp-formula id="equ5">
<mml:math id="m25">
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>the orthogonality condition can be satisfied, i.e.<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m26">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where <italic>a</italic> is an arbitrary real number. In practice, the infinite sums in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref> are truncated by a finite value <italic>N</italic>, and only 2<italic>N</italic> &#x2b; 1 terms are considered. Taking advantage of the orthogonality relation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>, the finite expansion of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref> can be equivalently expressed into a system of 2<italic>N</italic> &#x2b; 1 linear equations, and it is<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m27">
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>for any integer <italic>q</italic> &#x2208; [&#x2212;<italic>N</italic>, <italic>N</italic>].</p>
<p>The generalized stress on the plane perpendicular to <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis is<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>Substituting Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">17</xref>, and defining<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m29">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m30">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>It derives<disp-formula id="equ6">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Setting all the 2<italic>N</italic> &#x2b; 1 vectors of <bold>a</bold>
<sub>
<italic>n</italic>
</sub> as a new column vector <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the 2<italic>N</italic> &#x2b; 1 vectors of <bold>b</bold>
<sub>
<italic>p</italic>
</sub> as a new column vector <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">18</xref>, they have the relation as<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>where the matrices of <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are<disp-formula id="equ7">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ8">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>Because the matrix <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is symmetric and invertible, <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m40">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> exists [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>]. Hence, from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">20</xref>, we get<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m41">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>From Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">19</xref>, the matrix <bold>F</bold> can be expressed by <bold>G</bold> as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m42">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">G</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>Combining Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> and the <italic>q</italic>
<sup>th</sup> linear equation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, when <italic>q</italic> takes all the integers from &#x2212;<italic>N</italic> to <italic>N</italic>, the linear system of 2<italic>N</italic> &#x2b; 1 equations can be rearranged as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are<disp-formula id="equ9">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ10">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ11">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center"/>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ee;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">Y</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">21</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">23</xref>, we obtain the following eigen relation as<disp-formula id="equ12">
<mml:math id="m50">
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>where<disp-formula id="equ13">
<mml:math id="m51">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="matrix">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="center">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>The solution <bold>
<italic>&#x3be;</italic>
</bold> is called Stroh eigenvector, where <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent generalized displacement vector part and generalized stress vector part, respectively. Because the size of the matrix <bold>N</bold> is 8(2<italic>N</italic> &#x2b; 1) &#xd7; 8(2<italic>N</italic> &#x2b; 1), there are 8(2<italic>N</italic> &#x2b; 1) eigenvalues <italic>k</italic>
<sub>3</sub> of complex conjugate pairs and corresponding eigenvectors <bold>
<italic>&#x3be;</italic>
</bold>, and the solutions of generalized displacement and stress vectors are (omitting the ranges of <italic>p</italic> &#x2208; [&#x2212;<italic>N</italic>, <italic>N</italic>] and <italic>r</italic> &#x2208; [1, 8(2<italic>N</italic> &#x2b; 1)] for notation simplicity below)<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x303;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where the unknown coefficients <italic>c</italic>
<sup>
<italic>r</italic>
</sup> can be determined by different given boundary conditions on the surfaces of plate.</p>
<p>In order to study the propagations of elastic waves in periodic piezoelectric plate, the electromechanical coupling effect needs to be considered by the mechanical and electrical boundary conditions on the surfaces. The dispersion properties can be changed by various electrical boundary conditions, so that the tunable band structures can be achieved.</p>
<p>The traction free boundary conditions on the surfaces of periodic piezoelectric plate can be expressed by<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m56">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>31</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<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:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>No matter what kinds of external circuits are shunted <italic>via</italic> the electrodes whose thickness is negligible, the electrical boundary conditions can be expressed as functions of electric potential <italic>&#x3d5;</italic> and normal component of electric displacement vector <italic>D</italic>
<sub>3</sub> on surfaces, that is<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m57">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By considering the orthogonality condition in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>, a combination of the mechanical and electrical boundary conditions in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref> can be conducted by multiplying <italic>H</italic>(&#x2212;<italic>k</italic>
<sub>1</sub>, &#x2212; <italic>q</italic>, <italic>x</italic>
<sub>1</sub>) and integrating them along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis from <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m58">
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> to <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m59">
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> for each unit cell, and the boundary conditions can be equivalently transformed into a system of 8 &#xd7; (2<italic>N</italic> &#x2b; 1) linear equations as<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m60">
<mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="bold">c</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where <bold>c</bold> is a column vector consisting of unknown coefficients <italic>c</italic>
<sup>
<italic>r</italic>
</sup>. In order to get the non-trivial solution, the determinant of coefficient matrix must be equal to zero. Then, the dispersion relation between wave number <italic>k</italic>
<sub>1</sub> and angular frequency <italic>&#x3c9;</italic> can be obtained by<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m61">
<mml:mi>det</mml:mi>
<mml:mspace width="0.3333em" class="nbsp"/>
<mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>Therefore, the dispersion relations of periodic piezoelectric plate can be obtained by solving Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> to explore the characteristics of guided wave motion.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Piezoelectric plate with periodic shunting circuit</title>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Electrical boundary conditions</title>
<p>When the periodic piezoelectric plate is located in a vacuum, the normal components of electric displacement in the vacuum are <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m62">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m63">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. For the unit cell with shunting circuits as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>, the thin electrodes cover the entire surfaces of part I and connect external circuits. If <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m64">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> indicates the external electric potentials on electrodes of the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell, the electrical boundary conditions can be written as<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m65">
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The electric potentials in the vacuum are <italic>&#x3d5;</italic>
<sup>&#xb1;</sup> and satisfy the Laplace equation, i.e. &#x25bd;<sup>2</sup>
<italic>&#x3d5;</italic>
<sup>&#xb1;</sup> &#x3d; 0. Because the electric potentials gradually decrease in the vacuum and vanish at infinite, they can be expressed as<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m66">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="equ14">
<mml:math id="m67">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</disp-formula>From Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref>, the electric potential in the plate is<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m68">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m69">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the corresponding component <italic>&#x3d5;</italic> in <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m70">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Using the continuity of electric potential on surfaces, <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m71">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>, the normal components of electric displacement in the vacuum <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m72">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed by the electric potential in plate <italic>&#x3d5;</italic> as<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m73">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x03F5;</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; 8.854 &#xd7; 10<sup>&#x2013;12</sup>&#xa0;F/m is the dielectric constant in the vacuum.</p>
<p>Using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">25</xref>, the normal component of electric displacement of the plate can be expressed as<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m74">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m75">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the corresponding component <italic>D</italic>
<sub>3</sub> in <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m76">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">b</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, by Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">33</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">34</xref>, we can get<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m77">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m78">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2213;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>. As a consequence, the electrical boundary conditions in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e30">30</xref> can be rewritten by electric potentials as<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m79">
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfenced open="{" close="">
<mml:mrow>
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mtext>II</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>where the electric potential <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m80">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mtext>II</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> on the surfaces of part II is the same for each unit cell and can be calculated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">35</xref> as<disp-formula id="equ15">
<mml:math id="m81">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mtext>II</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In addition, the charge densities on surfaces are <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m82">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula> and combining them with Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e30">30</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e35">35</xref>, the total charges on the electrodes of the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell per unit length in <italic>x</italic>
<sub>2</sub> direction can be calculated by<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m83">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="equ16">
<mml:math id="m84">
<mml:mspace width="0.3333em"/>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
</disp-formula>Therefore the electric potential <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m85">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> on the electrodes of part I can be obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">37</xref> by the electric charge <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m86">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> determined under different external circuits on the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell. Substituting <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m87">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m88">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">36</xref> and performing the orthogonal integration in the range of O, the electrical boundary conditions of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref> can be provided by a system made of 2(2<italic>N</italic> &#x2b; 1) linear equations as <italic>F</italic>
<sub>
<italic>e</italic>
</sub>(<italic>q</italic>)<sup>&#xb1;</sup> &#x3d; 0, <italic>q</italic> &#x3d; 0, &#xb1;1, &#x22ef; &#xb1; <italic>N</italic>, with<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m89">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>Correspondingly, the influences of electrical boundary conditions on dispersion relations of periodic piezoelectric plate can be analyzed to investigate the manipulating mechanism.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Loaded with shunting circuit</title>
<sec id="s3-2-1">
<title>3.2.1 Electrically open circuit</title>
<p>When the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell is electrically isolated, each electrode is recognized as an equipotential body and satisfies the condition of charge conservation to make the total charge of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">37</xref> equal to zero, so that the electric potentials <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m90">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> on the electrodes of part I can be derived as<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m91">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>Substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e39">39</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>, the electrical boundary conditions of electrically open circuit on both surfaces can be expressed by<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m92">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3-2-2">
<title>3.2.2 Electrically short circuit</title>
<p>If the electrodes of the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell are connected to the ground, their electrical potentials are forced to zero, that is <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m93">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. Taking advantage of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>, the electrical boundary conditions of electrically short circuits on both surfaces are<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m94">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3-2-3">
<title>3.2.3 Loaded external circuit</title>
<p>If the impedances on the upper and lower electrodes of the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell are <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub>, <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>, separately, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>, the charges on the electrodes of the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell can be derived as<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m95">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>Combining Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">42</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e37">37</xref>, the electric potentials on the electrodes of the <italic>J</italic>
<sup>th</sup> unit cell can be expressed as<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m96">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>Substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e43">43</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">38</xref>, it leads to<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m97">
<mml:mtable class="aligned">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Obviously, when the impedances <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub> or <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x2192; <italic>&#x221e;</italic>, the circuit becomes electrically open case, and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e44">44</xref> can be degenerated to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">40</xref>. When the impedances <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub> or <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x3d; 0, the circuit can also be equivalently transformed into electrically short case with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e44">44</xref> degenerated to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e41">41</xref>. Otherwise, for different values of impedances <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub> or <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub>, there are various electrical boundary conditions to be provided.</p>
<p>The different kinds of electrical boundary conditions are converted into a set of linear homogeneous equations. Combining the wave motion equation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> and boundary conditions in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>, the eigenvalues and eigenvectors in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">28</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> can be determined, and the generalized solutions Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">25</xref> can be obtained in an accurate form with infinite <italic>N</italic> or an approximate form with the truncating finite terms of <italic>N</italic>.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Electromechanical coupling effects on guided waves</title>
<p>In order to discuss the electromechanical coupling effects on the guided wave propagation in the periodic structure, a periodic piezoelectric plate made of PZT-5H is considered and the material parameters based on its three material principal axes are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> with the Voigt notation. Each unit cell of the periodic piezoelectric plate is constructed by two PZT segments with separately polarized directions and shunted external circuits. Based on the theoretical model, the dispersion curves of both Lamb waves and SH waves in the periodic piezoelectric plate can be calculated under different electrical boundary conditions. By changing the polarization directions of PZT segments in a unit cell or shunting different types of external circuits, the dispersion properties of periodic piezoelectric plates can be easily altered to control the performances of guided waves propagations.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Material parameters of PZT-5H [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>].</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="6" align="center">Elastic constants <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m98">
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">G</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">
<italic>C</italic>
<sub>11</sub> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>22</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>C</italic>
<sub>12</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>C</italic>
<sub>13</sub> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>23</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>C</italic>
<sub>33</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>C</italic>
<sub>44</sub> &#x3d; <italic>C</italic>
<sub>55</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>C</italic>
<sub>66</sub>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#xa0;127.21</td>
<td align="center">80.21</td>
<td align="center">84.67</td>
<td align="center">117.44</td>
<td align="center">22.99</td>
<td align="center">23.47</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th colspan="3" align="center">Piezoelectric constants (C/m<sup>2</sup>)</th>
<th colspan="2" align="center">Relative dielectric constants</th>
<th align="center">Density (kg/m<sup>3</sup>)</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">
<italic>e</italic>
<sub>15</sub> &#x3d; <italic>e</italic>
<sub>24</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>e</italic>
<sub>31</sub> &#x3d; <italic>e</italic>
<sub>32</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>e</italic>
<sub>33</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>&#x3f5;</italic>
<sub>11</sub>/<italic>&#x3f5;</italic>
<sub>0</sub> &#x3d; <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>22</sub>/<italic>&#x3f5;</italic>
<sub>0</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>&#x3f5;</italic>
<sub>33</sub>/<italic>&#x3f5;</italic>
<sub>0</sub>
</td>
<td align="center">
<italic>&#x3c1;</italic>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#xa0;17.03</td>
<td align="center">&#x2212;6.62</td>
<td align="center">23.24</td>
<td align="center">1704.4</td>
<td align="center">1433.6</td>
<td align="center">7500</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>If the sizes of unit cell in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref> are set <italic>l</italic> &#x3d; 5&#xa0;mm, <italic>h</italic> &#x3d; 3&#xa0;mm the dimensionless wave number <italic>k</italic>
<sub>1</sub>
<italic>l</italic> and dimensionless frequency <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m99">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>44</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
</inline-formula> are introduced, and the dispersion curves are calculated in the range <italic>k</italic>
<sub>1</sub>
<italic>l</italic> &#x3d; [0, <italic>&#x3c0;</italic>] for the symmetry of the periodic piezoelectric plate. Finite element method is also conducted by COMSOL Multiphysics for comparison. In COMSOL Multiphysics calculations, the Floquet periodicity is applied to unit cell boundaries perpendicular to <italic>x</italic>
<sub>1</sub> direction. Providing the wave number <italic>k</italic>
<sub>1</sub> by parametric sweep, the corresponding eigenfrequencies can be obtained.</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Polarized along the <italic>x</italic>
<sub>2</sub> axis</title>
<p>If the unit cell in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref> is designed by a combination of part I with <italic>l</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; 0.8&#xa0;<italic>L</italic> and part II with <italic>l</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 0.2 <italic>L</italic>, both parts are made of PZT-5H with the polarization directions along <italic>x</italic>
<sub>2</sub> axis as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> with red crosses, and only the surfaces of part I are fully covered with thin electrodes. It means that there is no difference between the piezoelectric materials in part I and part II except part I can connect external circuits. For discussing the influences of external circuits on the dispersion properties of the periodic piezoelectric plate, the shunting inductance circuit is considered. Compared to the electrically open case in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, the external inductance circuit is set by connecting inductance <italic>L</italic> on the upper electrode, and the lower electrode is connected to the ground as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>, i.e. <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>u</italic>
</sub> &#x3d; i<italic>&#x3c9;L</italic>, <italic>Z</italic>
<sub>
<italic>d</italic>
</sub> &#x3d; 0. If the inductor in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> is chosen by <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H and <italic>L</italic> &#x3d; 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H, separately, the corresponding dispersion curves of <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A,B</xref> can be calculated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> and results are shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. For the case without external circuits in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, the dispersion curves of Lamb waves and SH wave are the same as homogeneous plate as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>, and the corresponding finite element results are obtained by the commercial software COMSOL Multiphysics and illustrated by gray rhombus marks. In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>, these two results are in complete agreement, so that the effectiveness and reliability of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> is verified.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>The periodic unit cell made of <italic>x</italic>
<sub>2</sub> direction polarized PZT with different electrical boundary conditions: <bold>(A)</bold> electrically open, <bold>(B)</bold> shunting inductance.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g002.tif"/>
</fig>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Dispersion curves of periodic plates with unit cells of <bold>(A)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, <bold>(B)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H and <bold>(C)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g003.tif"/>
</fig>
<p>If the external circuits are involved, the dispersion curves of Lamb waves and SH wave are also calculated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> and shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3B,C</xref>, and there is an extra electric mode (red lines) to couple with the guided waves compared to <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>. The corresponding finite element results calculated by COMMOL Multiphysics are not presented here because the &#x201c;Electrical Circuit&#x201d; interface of COMSOL is unstably supported for eigenvalue problem. Therefore, the reliability of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> when the shunting circuits are involved is verified by the dispersion relation of the electric mode before coupling with guided waves, which can be derived from the equivalent-circuit model [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>] as<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m100">
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>and illustrated by rose dashed curves in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3B,C</xref>.</p>
<p>In this model, the unit cell in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref> can be equivalent represented by a capacitor <italic>C</italic>
<sub>I</sub> whose surfaces are perpendicular to <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis, and form a inductance-capacitance resonant circuit with the shunting inductance. In addition, the electrodes on the upper surfaces of adjacent unit cells are connected by an equivalent capacitor <italic>C</italic>
<sub>II</sub> whose surfaces are perpendicular to <italic>x</italic>
<sub>1</sub> due to the electrical potential differences on these two electrodes. The values of <italic>C</italic>
<sub>I</sub> and <italic>C</italic>
<sub>II</sub> can be determined by the cutoff frequency <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>0</sub> and <italic>&#x3c9;</italic>
<sub>
<italic>&#x3c0;</italic>
</sub> denoted as the dimensionless &#x3a9;<sub>0</sub> and &#x3a9;<sub>
<italic>&#x3c0;</italic>
</sub> in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3B,C</xref> at the edges of Brillouin zone <italic>k</italic>
<sub>1</sub>
<italic>l</italic> &#x3d; 0 and <italic>k</italic>
<sub>1</sub>
<italic>l</italic> &#x2192; <italic>&#x3c0;</italic>.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3B,C</xref>, the shunted inductance circuit has no effect on Lamb waves due to their displacement vectors are perpendicular to the polarization orientation of piezoelectric material. By contrast, there is a strong interaction between the electric mode and SH<sub>0</sub> wave for the same directions of displacement vector and polarization orientation, and opening up the hybridization bandgaps as shown by gray shadow areas. According to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, the lower inductance <italic>L</italic> can induce the electric mode at higher frequency range, and can result in the hybridization bandgaps at higher frequency range too, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3B,C</xref>. The width of the hybridization bandgap increases to 1.3 times when the inductances decrease from 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H to 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H. Compared to <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>, besides the hybridization bandgaps caused by electric mode, there is an extra narrow Bragg scattering bandgap (green shadow region) to be generated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3B,C</xref> for the periodicity of piezoelectric plate.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Polarized along the <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis</title>
<p>The design of unit cell in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> is the same as that in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, except the polarization directions are all along <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis as shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> with red arrows, and for <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref> the same electrical boundary conditions are considered as described in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref>. The corresponding dispersion curves are calculated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> and results are illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. For the case of electrically open in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>, the finite element results are provided by the commercial software COMSOL Multiphysics and plotted in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref> by gray rhombus symbols to show the good consistence with the theoretical model.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>The periodic unit cell made of <italic>x</italic>
<sub>3</sub> direction polarized PZT with different electrical boundary conditions: <bold>(A)</bold> electrically open, <bold>(B)</bold> shunting inductance.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g004.tif"/>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Dispersion curves of periodic plates with unit cells of <bold>(A)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>, <bold>(B)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H and <bold>(C)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g005.tif"/>
</fig>
<p>Compared to the dispersion curves in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, the big difference is that the shunting inductance circuit of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref> has no influence on SH wave and the hybridization bandgaps emerge only from the coupling of the electric mode with the Lamb waves as gray shadow regions in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref>. In <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref>, there is a stronger interaction with S<sub>0</sub>-like mode to form a broader hybridization bandgap than that with A<sub>0</sub>-like mode. It indicates that the electromechanical coupling effect on the guided waves can be effectively selected by the polarization direction of piezoelectric material. For the same shunting inductor with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H, the electric mode calculated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref> can cover a wider frequency range with lower &#x3a9;<sub>
<italic>&#x3c0;</italic>
</sub> and higher &#x3a9;<sub>0</sub> in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5B</xref> than that in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>, and leads to a nearly three times wider hybridization bandgap of S<sub>0</sub>-like mode than that of SH<sub>0</sub> mode in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>. Similarly, the difference of the dispersion relations between <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5C</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3C</xref> can be observed when the shunting inductor is <italic>L</italic> &#x3d; 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H. Besides, there is another hybridization bandgap by the interaction between S<sub>0</sub>-like mode and the folded negative-slope A<sub>0</sub>-like mode denoted as the pink shadow regions in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref>. The Bragg scattering bandgaps emerge when A<sub>0</sub>-like and S<sub>0</sub>-like waves are folded at the edge of the Brillouin zone, as denoted the green shadow areas in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref>, and they are only related to the periodicity of piezoelectric plate but little influence by the shunting inductance circuit.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Polarized along the <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis in part I and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis in part II</title>
<p>If two parts of unit cell are designed by the same PZT with different polarization directions, which are along <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis in part I and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis in part II as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, the dispersion curves of guided waves under the electrical boundary conditions of electrically open, shunting inductance with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H and <italic>L</italic> &#x3d; 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H, separately, can be calculated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">29</xref> and shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. The differences of electromechanical coupling effects caused by the polarization directions and the shunting inductance circuits can be figured out in the dispersion curves of guided waves in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The periodic unit cell made of <italic>x</italic>
<sub>1</sub> direction and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> direction polarized PZT with different electrical boundary conditions: <bold>(A)</bold> electrically open, <bold>(B)</bold> shunting inductance.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g006.tif"/>
</fig>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Dispersion curves of periodic plates with unit cells of <bold>(A)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>, <bold>(B)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H and <bold>(C)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 30&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g007.tif"/>
</fig>
<p>Similar to the dispersion curves in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, the external circuits have no influence on the propagation of SH waves in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>, because the unit cell has no PZT part with the polarization direction along <italic>x</italic>
<sub>2</sub> axis, i.e. the direction of SH wave motion, and the hybridization bandgaps shaded in gray in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7B,C</xref> are only generated by the coupling of electric mode with A<sub>0</sub>-like and S<sub>0</sub>-like modes. However, there are some differences to be observed between <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>. First, the Bragg bandgaps appear in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> when the guided waves fold at the edges of Brillouin zones for the periodicity of plate, but Bragg bandgaps of SH<sub>0</sub> branch cannot be observed in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> for the homogeneity of plate. In <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>, the bandgap of SH<sub>0</sub> branch is very narrow, and the bandgaps of A<sub>0</sub>-like branch in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7B,C</xref> are wider than that in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref> while the bandgaps of S<sub>0</sub>-like branch are thinner. Second, because the normal component of the dielectric tensor of PZT-5H after coordinate transformation increases when the polarization direction changes from <italic>x</italic>
<sub>3</sub> to <italic>x</italic>
<sub>1</sub> axis, and correspondingly the equivalent capacitance <italic>C</italic>
<sub>I</sub> increases, in consequence, the corresponding electric modes can cover a narrower frequency range in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7B,C</xref> than that in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref>. This is because the upper limits of electric modes decrease for the higher <italic>C</italic>
<sub>I</sub> based on Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e45">45</xref>, while the lower limits almost remain the same, so that the hybridization bandgaps open up at lower frequencies. Furthermore, the hybridization bandgaps are also influenced by the polarization directions, especially when the electric mode couples with S<sub>0</sub>-like mode, the hybridization bandgaps in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7B,C</xref> are narrower to be about 20% of that in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5B,C</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>4.4 Polarized along the <italic>x</italic>
<sub>2</sub> axis in part I and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis in part II</title>
<p>The two parts of unit cell are designed in series with the same length <italic>l</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; <italic>l</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 0.5 <italic>l</italic>, and the electrodes are centered on both surfaces of these two parts with the length of <italic>a</italic>
<sub>1</sub> &#x3d; 0.8 <italic>l</italic>
<sub>1</sub>, <italic>a</italic>
<sub>2</sub> &#x3d; 0.8 <italic>l</italic>
<sub>2</sub>, respectively. The polarization directions of PZT are along <italic>x</italic>
<sub>2</sub> axis in part I and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> axis in part II, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> with red crosses and arrows. The unit cell in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> is a combination of that in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref> with a half length. There are three different electrical boundary conditions to be considered as shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, the electrically open condition in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref>, inductance shunting circuit loaded on the upper electrodes of part I in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8B</xref> or part II in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8C</xref> with the opposite lower electrodes connected to the ground. The dispersion curves of these three cases are calculated and shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, and the finite element results are obtained and drawn with gray rhombus marks to illustrate the good consistence in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A</xref>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>The periodic unit cell made of <italic>x</italic>
<sub>2</sub> direction and <italic>x</italic>
<sub>3</sub> direction polarized PZT with different electrical boundary conditions: <bold>(A)</bold> electrically open, <bold>(B)</bold> inductance shunting on part I and <bold>(C)</bold> inductance shunting on part II.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g008.tif"/>
</fig>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Dispersion curves of periodic plates with unit cells of <bold>(A)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref>, <bold>(B)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8B</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H and <bold>(C)</bold> <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8C</xref> with <italic>L</italic> &#x3d; 50&#xa0;<italic>&#x3bc;</italic>H.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-1094077-g009.tif"/>
</fig>
<p>The big difference between <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A</xref> is the much wider Bragg bandgap (shaded in green) of SH<sub>0</sub> wave in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A</xref> for the part I polarized along the direction of SH<sub>0</sub> wave, and the broader length of part II polarized along axis in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A</xref> than the part II with the same polarization direction in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7A</xref> cause a lower Bragg bandgap of S<sub>0</sub>-like mode and a higher Bragg bandgap of A<sub>0</sub>-like mode. Compared to <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref> with the same polarized PZT part shunted inductance circuit, the electric mode is located at a higher frequency range as rose dashed line in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9B</xref>, and the electromechanical effect not only induces the hybridization bandgap (shaded in gray) of SH<sub>0</sub> mode, but also causes the hybridization bandgaps for both A<sub>0</sub>-like and S<sub>0</sub>-like modes. The similar conclusion can be addressed from the comparison of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5B</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9C</xref> for the same polarized PZT part shunted inductance circuit, but the frequency range of electric mode is narrower in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9C</xref>. It indicates that the hybridization bandgap caused by electromechanical effect strongly depends on the polarization direction of PZT, but the external circuit can influence the frequency range of electric mode. For a comparison of three Bragg bandgaps in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, the shunting inductance circuit can strongly decrease the frequency range of SH<sub>0</sub> mode no matter which part is shunted, but only slightly influences on both A<sub>0</sub>-like and S<sub>0</sub>-like modes. However, if the shunting inductance circuit is connected to the upper electrode of part I as shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9B</xref>, the interactions between different wave modes are slight and hard to observe, while for the shunting inductance circuit connected to the upper electrode of part II as shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9C</xref>, the S<sub>0</sub>-like mode is strongly interacted with the folded negative-slope SH<sub>0</sub> mode and A<sub>0</sub>-like mode to result in the opening up locally resonant bandgaps shaded in pink.</p>
<p>From <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref>, it is noteworthy that the obvious Bragg bandgaps can be observed for the heterogeneous plate with periodicity, and the heterogeneity can be induced by locally shunting circuits for homogeneous plate or by different polarization directions of two PZT segments. The external inductance circuits can introduce the electric mode to form the hybridization bandgaps after its interaction with guided waves. In addition, the coupling effect of electric mode only acts on the specific mode guided waves that have non-zero motion component along the polarization direction of PZT. It should be noticed in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9B,C</xref> that the hybridization bandgap depends on the polarization direction of PZT even though the external circuit is connected to other PZT segments with different polarization directions.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Conslusion</title>
<p>Based on the extended Stroh formalism, a theoretical model is proposed for solving the guided wave propagation in periodic piezoelectric plate, and the dispersion relations of multi-modes guided waves in the periodic piezoelectric plate shunted with external circuits are theoretically investigated in this paper. Based on the theoretical analysis, the dispersion properties of the periodic piezoelectric plate can be manipulated by altering the polarization direction of piezoelectric material in a unit cell and the impedance parameters of shunting circuit, and the main points can be addressed as follows.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1. The periodic piezoelectric structure behaves as a combination of phononic crystal plate and metamaterial with shunting circuits. Consequently, both the Bragg bandgaps and the hybridization bandgaps emerge in different frequency ranges due to the electromechanical coupling effects. Compared to the Bragg bandgaps, the hybridization bandgaps locate at lower frequencies, hence, the manipulation of wave propagation can be achieved at subwavelength scale.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2. The shunting circuits connected to homogeneous unit cell can induce obvious bandgaps of guided wave when its motion direction is not perpendicular to the polarization direction of piezoelectric material. For the unit cell composed of piezoelectric materials with different polarization directions, the Bragg bandgap will appear no matter whether the shunting circuits exist or not.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3. The hybridization bandgaps originate from the coupling between electric mode and guided wave modes whose motion direction is the same as the polarization direction of the piezoelectric material in a unit cell. Hence, the manipulation of specific wave propagation can be achieved <italic>via</italic> the requested arrangement of polarization directions in a unit cell with shunting circuits.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>4. The frequency range of the electric mode in the dispersion curves is modulated with the various inductance values and polarization orientations of the piezoelectric material in a unit cell, leading to the hybridization bandgaps opening at variable frequencies. Therefore, a tunable band structure of the periodic piezoelectric plate can be realized with the help of various electrical boundary conditions and different polarization orientation permutations of the segments in a unit cell.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>In summary, the proposed theoretical model in this paper can be successfully applied to the wave motion problem of periodic piezoelectric plate with shunting circuits. Results predict that the periodic plate has a good ability to manipulate guided wave propagation and provide broad applications in wave guiding and controlling, non-destructive testing, and other engineering fields. Furthermore, the theoretical model can be developed to investigate the dispersion characters of guided waves in the periodic plate made of various materials with more multi-physics properties, such as piezomagnetic effect, and plate with more complex structures, such as multiple-layers, can also be studied by the modification of the theoretical approach.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<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="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>YZ: Conceptualization, methodology, software and data analysis, writing-original draft; RX: Conceptualization, validation, data analysis, reviewing and editing; KH: Supervision, reviewing; ZL: Supervision, writing-review and editing, funding acquisition. All authors listed have made a substantial contribution to the proposed work and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the National Natural Science Foundation of China under Grants No. 12172008 and No. 11991033.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s9">
<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="s10">
<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">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ji</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huber</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Recent progress in acoustic metamaterials and active piezoelectric acoustic metamaterials - a review</article-title>. <source>Appl Mater Today</source> (<year>2021</year>) <volume>26</volume>:<fpage>101260</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apmt.2021.101260</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vasileiadis</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Varghese</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Babacic</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gomis-Bresco</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Navarro Urrios</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Graczykowski</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Progress and perspectives on phononic crystals</article-title>. <source>J Appl Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>129</volume>:<fpage>160901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0042337</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nassar</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Microtwist homogenization of three-dimensional Pyrochlore lattices on zero modes and mechanical polarization</article-title>. <source>J Mech Phys Sol</source> (<year>2021</year>) <volume>155</volume>:<fpage>104564</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmps.2021.104564</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<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>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Two-dimensional microtwist modeling of topological polarization in hinged Kagome lattices and its experimental validation</article-title>. <source>Int J Sol Structures</source> (<year>2022</year>) <volume>254-255</volume>:<fpage>111891</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2022.111891</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Negahban</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Asymmetric viscoelastic metamaterials for broad bandgap design and unidirectional zero reflection</article-title>. <source>Mech Syst Signal Process</source> (<year>2022</year>) <volume>162</volume>:<fpage>108101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ymssp.2021.108101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Valipour</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kargozarfard</surname>
<given-names>MH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rakhshi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yaghootian</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sedighi</surname>
<given-names>HM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Metamaterials and their applications: An overview</article-title>. <source>Proc Inst Mech Eng L: J Mater Des Appl</source> (<year>2021</year>) <volume>236</volume>:<fpage>2171</fpage>&#x2013;<lpage>210</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1464420721995858</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chiou</surname>
<given-names>MJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>YC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ono</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esashi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yeh</surname>
<given-names>SL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>TT</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Focusing and waveguiding of Lamb waves in micro-fabricated piezoelectric phononic plates</article-title>. <source>Ultrasonics</source> (<year>2014</year>) <volume>54</volume>:<fpage>1984</fpage>&#x2013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ultras.2014.05.007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rimoli</surname>
<given-names>JJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Prestress-controlled asymmetric wave propagation and reciprocity-breaking in tensegrity metastructure</article-title>. <source>Extreme Mech Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>37</volume>:<fpage>100724</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.eml.2020.100724</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Miniaci</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gliozzi</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morvan</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krushynska</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bosia</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scalerandi</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Proof of concept for an ultrasensitive technique to detect and localize sources of elastic nonlinearity using phononic crystals</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>118</volume>:<fpage>214301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.118.214301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Negahban</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Su</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Conditionally extraordinary transmission in periodic parity-time symmetric phononic crystals</article-title>. <source>Int J Mech Sci</source> (<year>2019</year>) <volume>163</volume>:<fpage>105134</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2019.105134</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shivashankar</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Independent flexural wave frequency conversion by a linear active metalayer</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2022</year>) <volume>128</volume>:<fpage>244301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.128.244301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gong</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Wave-resistance sleeper with locally resonant phononic crystals: Bandgap property and vibration reduction mechanism</article-title>. <source>AIP Adv</source> (<year>2021</year>) <volume>11</volume>:<fpage>035043</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0027591</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Application of phononic crystals for vibration reduction and noise reduction of wheel-driven electric buses based on neural networks</article-title>. <source>Proc Inst Mech Eng D: J Automobile Eng</source> (<year>2022</year>) <volume>236</volume>:<fpage>1619</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/09544070211035906</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>HP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A review: Elastic metamaterials and inverse design methods for shock and vibration mitigation</article-title>. <source>Int J Appl Mech</source> (<year>2021</year>) <volume>13</volume>:<fpage>2150102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S1758825121501027</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arretche</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matlack</surname>
<given-names>KH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Locally resonant effective phononic crystals for subwavelength vibration control of torsional cylindrical waves</article-title>. <source>J Vib Acoust</source> (<year>2021</year>) <volume>144</volume>:<fpage>031007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.4052748</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dalela</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Balaji</surname>
<given-names>PS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jena</surname>
<given-names>DP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A review on application of mechanical metamaterials for vibration control</article-title>. <source>Mech Adv Mater Structures</source> (<year>2022</year>) <volume>29</volume>:<fpage>3237</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15376494.2021.1892244</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arretche</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matlack</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Effective phononic crystals for non-Cartesian elastic wave propagation</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>134308</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevB.102.134308</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kushwaha</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Djafari-Rouhani</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dobrzynski</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Sound isolation from cubic arrays of air bubbles in water</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>1998</year>) <volume>248</volume>:<fpage>252</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0375-9601(98)00640-9</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tamura</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hurley</surname>
<given-names>DC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wolfe</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Acoustic-phonon propagation in superlattices</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>1988</year>) <volume>38</volume>:<fpage>1427</fpage>&#x2013;<lpage>49</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevB.38.1427</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Oudich</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gerard</surname>
<given-names>NJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jing</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tailoring structure-borne sound through bandgap engineering in phononic crystals and metamaterials: A comprehensive review</article-title>. <source>Adv Funct Mater</source> (<year>2022</year>) <volume>2022</volume>:<fpage>2206309</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/adfm.202206309</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nassar</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Non-reciprocal Rayleigh wave propagation in space&#x2013;time modulated surface</article-title>. <source>J Mech Phys Sol</source> (<year>2021</year>) <volume>146</volume>:<fpage>104196</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmps.2020.104196</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YZ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tunable and active phononic crystals and metamaterials</article-title>. <source>Appl Mech Rev</source> (<year>2020</year>) <volume>72</volume>:<fpage>040801</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.4046222</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lan</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dispersion relations of elastic waves in one-dimensional piezoelectric/piezomagnetic phononic crystal with functionally graded interlayers</article-title>. <source>Ultrasonics</source> (<year>2016</year>) <volume>70</volume>:<fpage>158</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ultras.2016.04.025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dispersion relations of elastic waves in one-dimensional piezoelectric phononic crystal with mechanically and dielectrically imperfect interfaces</article-title>. <source>Mech Mater</source> (<year>2016</year>) <volume>93</volume>:<fpage>168</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmat.2015.11.004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dispersion relations of elastic waves in one-dimensional piezoelectric phononic crystal with initial stresses</article-title>. <source>Int J Mech Sci</source> (<year>2016</year>) <volume>106</volume>:<fpage>231</fpage>&#x2013;<lpage>44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2015.12.020</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>AL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Golub</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>In-plane elastic wave propagation in nanoscale periodic layered piezoelectric structures</article-title>. <source>Int J Mech Sci</source> (<year>2018</year>) <volume>142&#x2013;143</volume>:<fpage>276</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2018.04.054</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>AL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Golub</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Propagation of guided elastic waves in nanoscale layered periodic piezoelectric composites</article-title>. <source>Eur J Mech - A/Solids</source> (<year>2017</year>) <volume>66</volume>:<fpage>158</fpage>&#x2013;<lpage>67</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.euromechsol.2017.07.003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>AL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>In-plane elastic wave propagation in nanoscale periodic piezoelectric/piezomagnetic laminates</article-title>. <source>Int J Mech Sci</source> (<year>2019</year>) <volume>153&#x2013;154</volume>:<fpage>416</fpage>&#x2013;<lpage>29</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2019.02.017</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vasseur</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cro&#xeb;nne</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vasseur</surname>
<given-names>JO</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dubus</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thi</surname>
<given-names>MP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pr&#xe9;vot</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Electrical evidence of the tunable electrical Bragg bandgaps in piezoelectric plates</article-title>. <source>IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control</source> (<year>2018</year>) <volume>65</volume>:<fpage>1552</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TUFFC.2018.2847246</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kherraz</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haumesser</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Levassort</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Benard</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morvan</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Controlling Bragg gaps induced by electric boundary conditions in phononic piezoelectric plates</article-title>. <source>Appl Phys Lett</source> (<year>2016</year>) <volume>108</volume>:<fpage>093503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4943138</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Guided wave propagation in multilayered periodic piezoelectric plate with a mirror plane</article-title>. <source>Int J Mech Sci</source> (<year>2021</year>) <volume>204</volume>:<fpage>106539</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2021.106539</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Forward</surname>
<given-names>RL</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Electronic damping of vibrations in optical structures</article-title>. <source>Appl Opt</source> (<year>1979</year>) <volume>18</volume>:<fpage>690</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/AO.18.000690</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gripp</surname>
<given-names>JAB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rade</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Vibration and noise control using shunted piezoelectric transducers: A review</article-title>. <source>Mech Syst Signal Process</source> (<year>2018</year>) <volume>112</volume>:<fpage>359</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ymssp.2018.04.041</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Asymmetric scattering of flexural waves in a parity-time symmetric metamaterial beam</article-title>. <source>The J Acoust Soc America</source> (<year>2019</year>) <volume>146</volume>:<fpage>850</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1121/1.5116561</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Flores Parra</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bergamini</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Van Damme</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ermanni</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Controllable wave propagation of hybrid dispersive media with LC high-pass and band-pass networks</article-title>. <source>Appl Phys Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>110</volume>:<fpage>184103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4983088</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Negahban</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Structural periodicity dependent scattering behavior in parity-time symmetric elastic metamaterials</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>2022</year>) <volume>106</volume>:<fpage>014303</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevB.106.014303</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An adaptive metamaterial beam with hybrid shunting circuits for extremely broadband control of flexural waves</article-title>. <source>Smart Mater Struct</source> (<year>2016</year>) <volume>25</volume>:<fpage>105036</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0964-1726/25/10/105036</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>GK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A self-adaptive metamaterial beam with digitally controlled resonators for subwavelength broadband flexural wave attenuation</article-title>. <source>Smart Mater Struct</source> (<year>2018</year>) <volume>27</volume>:<fpage>045015</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-665X/aab167</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sugino</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ruzzene</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Erturk</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Merging mechanical and electromechanical bandgaps in locally resonant metamaterials and metastructures</article-title>. <source>J Mech Phys Sol</source> (<year>2018</year>) <volume>116</volume>:<fpage>323</fpage>&#x2013;<lpage>33</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmps.2018.04.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Negahban</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tunable asymmetric transmission of Lamb waves in piezoelectric bimorph plates by electric boundary design</article-title>. <source>Compos Structures</source> (<year>2022</year>) <volume>300</volume>:<fpage>116111</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2022.116111</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shao</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tunable piezoelectric metasurface for manipulating multi-mode guided waves in plate</article-title>. <source>Eng Structures</source> (<year>2022</year>) <volume>270</volume>:<fpage>114917</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.engstruct.2022.114917</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yi</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>
<italic>In situ</italic> steering of shear horizontal waves in a plate by a tunable electromechanical resonant elastic metasurface</article-title>. <source>J Phys D Appl Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>53</volume>:<fpage>095302</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6463/ab5cbc</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Golub</surname>
<given-names>MV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fomenko</surname>
<given-names>SI</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Precise and target-oriented control of the low-frequency Lamb wave bandgaps</article-title>. <source>J Sound Vibration</source> (<year>2021</year>) <volume>511</volume>:<fpage>116367</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2021.116367</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kherraz</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haumesser</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Levassort</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Benard</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morvan</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hybridization bandgap induced by an electrical resonance in piezoelectric metamaterial plates</article-title>. <source>J Appl Phys</source> (<year>2018</year>) <volume>123</volume>:<fpage>094901</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5016496</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chikh-Bled</surname>
<given-names>FH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kherraz</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sainidou</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rembert</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morvan</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Piezoelectric phononic plates: Retrieving the frequency band structure via all-electric experiments</article-title>. <source>Smart Mater Struct</source> (<year>2019</year>) <volume>28</volume>:<fpage>115046</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-665X/ab4aac</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kherraz</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chikh-Bled</surname>
<given-names>FH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sainidou</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morvan</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rembert</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tunable phononic structures using Lamb waves in a piezoceramic plate</article-title>. <source>Phys Rev B</source> (<year>2019</year>) <volume>99</volume>:<fpage>094302</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevB.99.094302</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stroh</surname>
<given-names>AN</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dislocations and cracks in anisotropic elasticity</article-title>. <source>Philos Mag</source> (<year>1958</year>) <volume>3</volume>:<fpage>625</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/14786435808565804</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stroh</surname>
<given-names>AN</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Steady state problems in anisotropic elasticity</article-title>. <source>J Maths Phys</source> (<year>1962</year>) <volume>41</volume>:<fpage>77</fpage>&#x2013;<lpage>103</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/sapm196241177</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ting</surname>
<given-names>TTC</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Anisotropic elasticity: Theory and applications</source>. <publisher-loc>Oxford, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Oxford University Press</publisher-name> (<year>1996</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/oso/9780195074475.001.0001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tanuma</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stroh formalism and Rayleigh waves</article-title>. <source>J Elast</source> (<year>2007</year>) <volume>89</volume>:<fpage>5</fpage>&#x2013;<lpage>154</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10659-007-9117-1</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hsu</surname>
<given-names>CL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hwu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shiah</surname>
<given-names>YC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Three-dimensional boundary element analysis for anisotropic elastic solids and its extension to piezoelectric and magnetoelectroelastic solids</article-title>. <source>Eng Anal Boundary Elem</source> (<year>2019</year>) <volume>98</volume>:<fpage>265</fpage>&#x2013;<lpage>80</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enganabound.2018.10.022</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuo</surname>
<given-names>HY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shih</surname>
<given-names>CL</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Enhancing magnetoelectric effect in magneto-electro-elastic laminated composites via interface modulus and stress</article-title>. <source>Int J Sol Structures</source> (<year>2020</year>) <volume>195</volume>:<fpage>66</fpage>&#x2013;<lpage>73</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2020.03.014</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hsu</surname>
<given-names>CW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hwu</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Holes/cracks/inclusions in magneto-electro-elastic composite laminates under coupled stretching-bending deformation</article-title>. <source>Compos Structures</source> (<year>2022</year>) <volume>297</volume>:<fpage>115960</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2022.115960</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<label>54.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tassi</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Magouh</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Azrar</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>3D static analysis of homogenized piezoelectric plates based on the Mori-Tanaka and the Stroh approach</article-title>. In: <conf-name>2020 IEEE 7th International Conference on Engineering Technologies and Applied Sciences (ICETAS)</conf-name>. <publisher-loc>Kuala Lumpur, Malaysia</publisher-loc>: <publisher-name>IEEE</publisher-name> (<year>2020</year>). p. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICETAS51660.2020.9484313</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B55">
<label>55.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Manyo Manyo</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ntamack</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Azrar</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>3D-dynamic modeling of cross-ply magneto-electro-elastic laminates based on the pseudo-Stroh formalism</article-title>. <source>Mech Adv Mater Structures</source> (<year>2021</year>) <volume>28</volume>:<fpage>1337</fpage>&#x2013;<lpage>54</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15376494.2019.1668094</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B56">
<label>56.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Manyo Manyo</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ntamack</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Azrar</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Time and frequency 3D-dynamic analyses of multilayered magnetoelectroelastic plates with imperfect interfaces</article-title>. <source>Arch Appl Mech</source> (<year>2022</year>) <volume>92</volume>:<fpage>2273</fpage>&#x2013;<lpage>301</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00419-022-02177-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B57">
<label>57.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Magouh</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lahcen</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mathematical modeling of linear dynamic response of piezoelectric single Pz52 plates based on Stroh-like Formalism</article-title>. In: <conf-name>2021 7th International Conference on Optimization and Applications (ICOA)</conf-name>. <publisher-loc>Wolfenb&#xfc;ttel, Germany</publisher-loc>: <publisher-name>IEEE</publisher-name> (<year>2021</year>). p. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICOA51614.2021.9442670</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B58">
<label>58.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ewolo Ngak</surname>
<given-names>FP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ntamack</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Azrar</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dynamic analysis of multilayered magnetoelectroelastic plates based on a pseudo-Stroh formalism and Lagrange polynomials</article-title>. <source>J Intell Mater Syst Structures</source> (<year>2019</year>) <volume>30</volume>:<fpage>939</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1045389X19828505</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B59">
<label>59.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tian</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>SH waves in multilayered piezoelectric semiconductor plates with imperfect interfaces</article-title>. <source>Eur J Mech - A/Solids</source> (<year>2020</year>) <volume>81</volume>:<fpage>103961</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.euromechsol.2020.103961</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B60">
<label>60.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qian</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A general approach for dispersion relations in multilayered structures with an arbitrary number of piezoelectric layers and elastic layers</article-title>. <source>Acta Mech</source> (<year>2020</year>) <volume>231</volume>:<fpage>489</fpage>&#x2013;<lpage>502</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00707-019-02540-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B61">
<label>61.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kuo</surname>
<given-names>HY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Wave motion of magneto-electro-elastic laminated plates with membrane-type interfacial imperfections</article-title>. <source>Compos Structures</source> (<year>2022</year>) <volume>293</volume>:<fpage>115661</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compstruct.2022.115661</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B62">
<label>62.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tian</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pan</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Soh</surname>
<given-names>AK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Some characteristics of elastic waves in a piezoelectric semiconductor plate</article-title>. <source>J Appl Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>126</volume>:<fpage>125701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5116662</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B63">
<label>63.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Graff</surname>
<given-names>KF</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Wave motion in elastic solids</source>. <publisher-loc>Chelmsford, MA, USA</publisher-loc>: <publisher-name>Courier Corporation</publisher-name> (<year>2012</year>).</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>