<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">ojfd</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Open Journal of Fluid Dynamics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2165-3860</issn>
      <issn pub-type="ppub">2165-3852</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/ojfd.2026.163004</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">ojfd-153240</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Sounds of Vortex at Low Vortex Mach Numbers</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Takahashi</surname>
            <given-names>Koichi</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
          <xref ref-type="aff" rid="aff2">2</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> New Industry Creation Hatchery Center, Tohoku University, Sendai, Japan </aff>
      <aff id="aff2"><label>2</label> Research Institute for Data Science, Tohoku Gakuin University, Sendai, Japan </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The author declares no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>18</day>
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>16</volume>
      <issue>03</issue>
      <fpage>51</fpage>
      <lpage>60</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>15</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>15</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>18</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/ojfd.2026.163004">https://doi.org/10.4236/ojfd.2026.163004</self-uri>
      <abstract>
        <p>Proper acoustic waves associated with the Rankine vortex of low Mach numbers are studied by solving the compressible Navier-Stokes equations and the continuity equation in cylindrical coordinate system. The vortex Mach number (VMN) is introduced as the ratio of the maximum swirling speed to the sound speed. The density modulation is expressed in terms of the cylindrical functions, which, in contrast to the plane waves, do generally not keep the mass of the fluid invariant. Axisymmetric solutions subjected to mass conservation condition (MCC) are surveyed at low VMN and are shown to exist. The consequence of the MCC is that the wave numbers are complex and discretized in accordance with the distribution of the zeros of the first derivative of the Hankel function. Consequently, the generated sound propagates as a wave packet. The wave length and the width of the wave packet increases and decreases, respectively, with the VMN.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Vortex</kwd>
        <kwd>Sound</kwd>
        <kwd>Turbulence</kwd>
        <kwd>Compressible Fluid</kwd>
        <kwd>Vortex Mach Number</kwd>
        <kwd>Mass Conservation</kwd>
        <kwd>Hankel Function</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>Vortices are the essential ingredients of turbulence in fluids that we frequently encounter under natural and artificial conditions. In a flow of the Reynolds number <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , turbulence will be observed as random fluctuations of velocity borne by vortices whose sizes may extend over a range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. Impressive phenomena associated with turbulence are the so called “noises” that are not welcome in many occasions of humane lives, and as such, have attracted many researchers’ attention in particular in the field of engineering. </p>
      <p>Noise of turbulence is an “irregular” sounding due to shear in chaotic flow. The modern theory of sound in turbulence was developed by Lighthill [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] and has been employed and developed by many authors. See, e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] and references cited therein. For an informative textbook, see [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. </p>
      <p>Lighthill’s theory takes account of the irregular turbulent motion of fluid as the source of the density modulation that propagates as sound. The first and the second order velocity fluctuations, which are referred to as the dipole and quadrupole interactions, respectively, constitute the source [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. The intensity of the sound produced by eddy in such a random way is proportional to the eighth power of the velocity fluctuation and is generally weak. </p>
      <p>We may imagine another type of sound whose origin is idiosyncratically tied to a single vortex itself. If a vortex is to generate proper sounds of its own, knowledge on such sounds will help us understand the structures of not only a single vortex but also of turbulence. For such approaches, the perturbative method will be the first step we should take. In meteorology, detecting strong perturbations about steady vortex like typhoon is of a practical theme of research [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. However, the possibility of small acoustic perturbations propagating from a steady vortex seems not to have been explored systematically.</p>
      <p>The purpose of this note is to outline the perturbative approach of sound generation in a vortex with as simple a structure as possible. To this aim, we scrutinize the dynamics of the field fluctuations about the Rankine vortex as the background flow. In the next section, the method of analysis is presented with emphasizing the significance of the requirement that the total mass should be conserved. In Section 3, the result of numerical calculation is presented. Summary and comments are given in the last section.</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Dynamics of Perturbations around Rankine Vortex</title>
      <p>We consider the flow governed by the compressible Navier-Stokes equations</p>
      <disp-formula id="FD1">
        <label>(1)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mo>∇</mml:mo>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>η</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:msup>
              <mml:mo>∇</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ζ</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>η</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∇</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∇</mml:mo>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>f</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and the continuity equation</p>
      <disp-formula id="FD2">
        <label>(2)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>ρ</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mo>∇</mml:mo>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In (1) and (2), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote partial differentiations with respect to the time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> and the spatial coordinate component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , respectively, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> the density, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> u </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> the velocity vector, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> the pressure, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi> η </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> ζ </mml:mi></mml:math></inline-formula> the viscosity coefficients and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> the external force. From (1) and (V2), the density wave equation is derived [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]</p>
      <disp-formula id="FD3">
        <label>(3)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msubsup>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msubsup>
            <mml:mi>ρ</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mo>∇</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>j</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>η</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mo>∇</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>∇</mml:mo>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mo>∇</mml:mo>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>f</mml:mi>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where a new viscosity coefficient has been defined by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> η </mml:mi><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:msup><mml:mi> η </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> ζ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We write the first term on the right-hand side (hereafter, rhs) of (3) as </p>
      <disp-formula id="FD4">
        <label>(4)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>j</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi mathvariant="fraktur">D</mml:mi>
              <mml:mi mathvariant="fraktur">m</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>ρ</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In cylindrical coordinate system, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="fraktur"> D </mml:mi><mml:mi mathvariant="fraktur"> m </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> takes the form</p>
      <disp-formula id="FD5">
        <label>(5)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi mathvariant="fraktur">D</mml:mi>
                  <mml:mtext>m</mml:mtext>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mtext>D</mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msubsup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mtext>D</mml:mtext>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mtext>D</mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>D</mml:mtext>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>D</mml:mtext>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>D</mml:mtext>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mi>θ</mml:mi>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>D</mml:mtext>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>D</mml:mtext>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>∇</mml:mo>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                          </mml:msub>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where</p>
      <disp-formula id="FD6">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>D</mml:mtext>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mo>∇</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mi>z</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>z</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>To simplify the problem, we analyze the system (3) - (5) with no external force for the steady and circular Rankine vortex <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> u </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the background flow where</p>
      <disp-formula id="FD7">
        <label>(6)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>≤</mml:mo>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>Γ</mml:mi>
                      <mml:mo>/</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>π</mml:mi>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>≥</mml:mo>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>with the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> π </mml:mi><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The maximum flow speed is given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> max </mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The vortex undergoes a rigid body rotation in the inner or core region and a motion with a constant circulation in the outer region. The vorticity is distributed in the core region. The Navier-Stokes equations tell us that the pressures at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are related as</p>
      <disp-formula id="FD8">
        <label>(7)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>∞</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>max</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Consider small adiabatic changes (<italic>i.e.</italic>, entropy is conserved): </p>
      <disp-formula id="FD9">
        <label>(8)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD10">
        <label>(9)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>γ</mml:mi>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> γ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the adiabatic index. The sound speed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by</p>
      <disp-formula id="FD11">
        <label>(10)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>c</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>γ</mml:mi>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msubsup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In (3), assuming the form</p>
      <disp-formula id="FD12">
        <label>(11)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>i</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>ω</mml:mi>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mi>θ</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi>z</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mo>˜</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>the equation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained. When sound speed is far greater than the flow speed and viscosity is ignored, the equation takes the form of the Bessel type near the origin and far away from the origin but with different parameters in the both regions. Indeed, substituting (6) and (11) to (5) with reference to (10), the Equation (3) and their solutions in the above approximations are given by</p>
      <disp-formula id="FD13">
        <label>(12)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>″</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>β</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mo>˜</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD14">
        <label>(13)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mo>˜</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>Z</mml:mi>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>β</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Z </mml:mi><mml:mi> μ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> β </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> stands for cylindrical function and </p>
      <disp-formula id="FD15">
        <label>(14)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>β</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>ω</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>c</mml:mi>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:msub>
                            <mml:msup>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mi>∞</mml:mi>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>m</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>γ</mml:mi>
                            <mml:mtext>
                               
                            </mml:mtext>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>Ω</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>R</mml:mi>
                              <mml:mn>4</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>ω</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>c</mml:mi>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:msub>
                            <mml:msup>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mi>∞</mml:mi>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mn>4</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>outer region</mml:mtext>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>ω</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>c</mml:mi>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:msub>
                            <mml:msup>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mn>0</mml:mn>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>Ω</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>c</mml:mi>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:msub>
                            <mml:msup>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mn>0</mml:mn>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>m</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>m</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>inner region</mml:mtext>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the unperturbed sound speed at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , respectively. On the rhs of (14), the upper (lower) columns are for the outer (inner) region.</p>
      <p>We write the radial wave number in the outer region as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . From (14), the wave solutions propagating outward exist when the frequency obeys the dispersion relation</p>
      <disp-formula id="FD16">
        <label>(15)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>ω</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>±</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>c</mml:mi>
              <mml:mi>∞</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>K</mml:mi>
              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . When <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , writing as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the double signs in (15) can be removed by allowing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to take unrestricted complex values. The correction to (15) due to viscosity is the order of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> ν </mml:mi><mml:msubsup><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is negligible. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> ν </mml:mi><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> η </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the kinematic viscosity.</p>
      <p>Ignoring the viscosity, the solutions in the outer region are well approximated by the Hankel function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with </p>
      <disp-formula id="FD17">
        <label>(16)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>μ</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>±</mml:mo>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>γ</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>M</mml:mi>
                        <mml:mi>R</mml:mi>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>K</mml:mi>
                          <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>≥</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In the inner region, the solution is given by the Bessel function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> J </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo></mml:msub><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (and the Neumann function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Y </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo></mml:msub><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). In (16), we defined the vortex Mach number (VMN) by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> max </mml:mtext></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is generally complex due to the VMN term in (16). Its origin is traced back to the shear of the kinetic energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (5). The double signs in (16) are independent of those in (15) and are reserved in (16). The relation (14) for the inner region also gives the dispersion relation</p>
      <disp-formula id="FD18">
        <label>(17)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msubsup>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msubsup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>ω</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msubsup>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mi>z</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msubsup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In summary at this stage of the arguments, the outer solution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the inner solution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> &lt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by</p>
      <disp-formula id="FD19">
        <label>(18)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mo>˜</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:msubsup>
              <mml:mi>H</mml:mi>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:msubsup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD20">
        <label>(19)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>ρ</mml:mi>
                <mml:mo>˜</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>Y</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>These solutions are to be smoothly connected together at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (connection condition, CC):</p>
      <disp-formula id="FD21">
        <label>(20)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>Y</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:msubsup>
              <mml:mi>H</mml:mi>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:msubsup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD22">
        <label>(21)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mi>J</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>B</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mi>Y</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:msubsup>
              <mml:mi>H</mml:mi>
              <mml:mi>μ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:msubsup>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The CC must be time independent, so that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> ω </mml:mi></mml:math></inline-formula> in (17) must coincide with the one given by (15). Hereafter, we restrict ourselves to the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>The asymptotic form of the outer solution is given with a normalization constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> by</p>
      <disp-formula id="FD23">
        <label>(22)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mstyle>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mtext>e</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mtext>i</mml:mtext>
                    <mml:mi>ω</mml:mi>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mtext>i</mml:mtext>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mi>θ</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mi>H</mml:mi>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                    </mml:msub>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>→</mml:mo>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:msqrt>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>π</mml:mi>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:msqrt>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mtext>i</mml:mtext>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>4</mml:mtext>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mtext>2</mml:mtext>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>8</mml:mn>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mo>⋯</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>exp</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mtext>i</mml:mtext>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                          <mml:mi>∞</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mtext>i</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>m</mml:mi>
                        <mml:mi>θ</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                            <mml:mi>μ</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>4</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mi>π</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The wave front is supposed to be at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Without energy supply, the wave at a fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> should not intensify. This is possible when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this case, (22) represents a wave packet having the radial width <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>We further impose a condition that the density modulation has to keep the total mass invariant (mass conservation condition, MCC):</p>
      <disp-formula id="FD24">
        <label>(23)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∫</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>ρ</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Note that (23) is fulfilled mathematically for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The upper bound of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> -integration in (23) is the position of the wave front. Even under this restriction, the above integration yields a term divergent in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> because of the asymptotic form (22). However, the phase of the divergent part can be arbitrarily chosen. This means that the integration (23) is regularized by appropriately choosing the phase of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> and taking, e.g., the real part of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the physical solution. Consequently, the physically allowed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by the zeros of the first derivative of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . See <bold>Ap</bold><bold>pendix</bold>. Then, given a vortex specified by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> , we have six Equations (20), (21), (23), (16) (15) and (17) that will be solved for six unknowns <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> C </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> C </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> ω </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Result of Numerical Calculation</title>
      <p>In this section, for simplicity, we are interested in the modes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whose intensities are the lowest for a given <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We set <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in numerical calculations. The result is presented in <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref> for axially symmetric mode (<italic>i.e.</italic>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) and small VMNs <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0.17 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.17 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> amounts to the wind speed of about 58 m∙s<sup>−1</sup> in the normal atmospheric condition on the earth.) There, five sequences of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the physical solutions, <italic>i.e.</italic>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , are depicted as functions of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The solutions for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> form distinctive sequences. Since the wave number uniquely determines the frequency <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> ω </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the figure shows that the VMN determines the tones which form sequences as the VMN varies. Each sequence is labeled by a set of a capital and a corresponding small letter. A capital letter is employed for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a small letter for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The sequence (A, a) is of the fundamental tones and the other sequences are of the overtones. All of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are negative. The other characteristics of the solutions are summarized below.</p>
      <p>(A, a): <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mn> 0.4 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 0.6 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are dependent on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> very weakly. </p>
      <p>(B, b): <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1.1 </mml:mn><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 0.4 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Sound propagates as a wave packet with the wavelength <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the spatial width <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the wave packet will look virtually like a moving lump of pressure deviations.</p>
      <p>(C, c), (D, d): <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are appreciably decreasing and increasing functions of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> , respectively. At <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the spacing of neighboring <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> π </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> λ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is shorter than 1. On the other hand, since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mn> 0.35 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> is about 3. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the oscillation of the waves will be observable. </p>
      <p>The above feature of (B, b), (C, c) and (D, d) are analogous to the vibration of a medium confined in a box. </p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/2320877-rId271.jpeg?20260818022657" />
      </fig>
      <p>Figure 1. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> for five sequences of tones. Bold curves are of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and are labeled by capital roman letters A - E. Thin curves are of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and are labeled by the corresponding small roman letters a - e. Same color is used for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the same solution. Inset: Enlarged drawings for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (A) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (a). </p>
      <p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Re </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of all solutions tends to decrease with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Therefore, the “density of states”, <italic>i.e.</italic>, the number of solutions per unit frequency, increases with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> . At the same time, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Im </mml:mi><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also tends to increase. Consequently, the Rankine vortex with larger Mach number will be able to generate more compact wave packets.</p>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Summary and Comments</title>
      <p>We examined within the compressible Navier-Stokes equations in cylindrical coordinate system whether proper radially traveling acoustic waves are supported by the steady Rankine vortex. With some presumably pertinent approximations, we found for the axially symmetric mode that</p>
      <p>1) The radially traveling sounds proper to the Rankine vortex exist, each of which is characterized by a radial wave number.</p>
      <p>2) The radial wave number depends on the VMN.</p>
      <p>3) The radial wave number is complex owing to the MCC. The complex <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> also plays a part in developing the imaginary part of the wave number.</p>
      <p>4) Imaginary part of the radial wave number originates from the complex zeros of the Hankel function together with the shear in the kinetic energy of the background vortex flow and remains finite in inviscid limit.</p>
      <p>5) Physical wave packets form and travel to the radial direction when the imaginary part of the wave number is negative. </p>
      <p>Proper sounds are characterized by the discrete complex wave numbers and frequencies. Subtle adjustment of the positions of the nodes and the amplitude of the wave is needed to fulfill the MCC. The MCC comes to time-independent fulfillment by the propagation of sound in the form of wave packet whose form is essentially not altered during the propagation. Owing to the proper sounds, resonance will take place when the vortex is subjected to external acoustic stimulations with corresponding frequencies. </p>
      <p>In view of practical applications, one may ask what if the azimuthal velocity component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a smooth function. This is not an easy problem. Besides heavy numerical calculations, one possibility may be as follows. Suppose that we could somehow find a Rankine vortex function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that the difference <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> δ </mml:mi><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is minimized in a certain sense. If we could solve the wave equation perturbatively in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> δ </mml:mi><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we would in principle have the perturbative corrections to the wave numbers that had been found as the zeros of the first derivative of the Hankel function as is the case with the present study.</p>
      <p>Compression and extension of the flow are not involved in the Rankine vortex but also contribute to the kinetic energy. A question to be addressed is therefore: what happens in other vortices like Burgers’ [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]? An interesting possibility will also arise that the proper sounds from turbulence may convey nontrivial information on the distribution of vortices. These are left for future study.</p>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>Appendix</title>
      <p>The MCC (23) is divided into two parts:</p>
      <disp-formula id="FD25">
        <label>(A1)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>in</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>out</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where</p>
      <disp-formula id="FD26">
        <label>(A2)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>I</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>in</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mstyle displaystyle="true">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mo>∫</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>e</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mtext>i</mml:mtext>
                          <mml:mi>ω</mml:mi>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>ρ</mml:mi>
                          <mml:mo>˜</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                      </mml:msub>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mtext>d</mml:mtext>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>,</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>I</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>out</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mstyle displaystyle="true">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mo>∫</mml:mo>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                          <mml:mi>∞</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>e</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mtext>i</mml:mtext>
                          <mml:mi>ω</mml:mi>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>ρ</mml:mi>
                          <mml:mo>˜</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                      </mml:msub>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mtext>d</mml:mtext>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>,</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> &lt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> &gt; </mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the functions of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> only. (Strictly speaking, the deviation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the asymptotic from (22) will occur near the wave front and also contributes to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> I </mml:mi></mml:math></inline-formula> . We assume that this contribution is negligible.)</p>
      <p>The inner part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> in </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by an integration of the Bessel function and the Neumann function, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> out </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by an integration of the Hankel function as are seen from (19) and (18). <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> in </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is finite and is given by</p>
      <disp-formula id="FD27">
        <label>(A3)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>in</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>e</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mtext>i</mml:mtext>
                <mml:mi>ω</mml:mi>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                </mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>A</mml:mi>
                        <mml:mi>C</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>J</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                            <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                          </mml:msub>
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>B</mml:mi>
                        <mml:mi>C</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>Y</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                            <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                          </mml:msub>
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>e</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mtext>i</mml:mtext>
                <mml:mi>ω</mml:mi>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>H</mml:mi>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In deriving (A3), uses have been made of the relations readily obtained from (20) and (21):</p>
      <disp-formula id="FD28">
        <label>(A4)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mi>C</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>D</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>H</mml:mi>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>Y</mml:mi>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>k</mml:mi>
                                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>/</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>k</mml:mi>
                                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>H</mml:mi>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>Y</mml:mi>
                            <mml:mo>′</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD29">
        <label>(A5)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>B</mml:mi>
              <mml:mi>C</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mi>D</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>J</mml:mi>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>H</mml:mi>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>J</mml:mi>
                            <mml:mo>′</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>k</mml:mi>
                                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>/</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>k</mml:mi>
                                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>H</mml:mi>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:msup>
                          <mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where, by virtue of Lommel’s formula,</p>
      <disp-formula id="FD30">
        <label>(A6)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>J</mml:mi>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>Y</mml:mi>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>J</mml:mi>
                            <mml:mo>′</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>Y</mml:mi>
                            <mml:mo>′</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>R</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>From the asymptotic form (22) of the Hankel function, we can estimate the time dependence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> out </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as</p>
      <disp-formula id="FD31">
        <label>(A7)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>out</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msubsup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
            <mml:msup>
              <mml:mtext>e</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mtext>i</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>μ</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>π</mml:mi>
                  <mml:mo>/</mml:mo>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mtext>i</mml:mtext>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                          <mml:mi>∞</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>/</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>μ</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>8</mml:mn>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                    </mml:msub>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>c</mml:mi>
                              <mml:mi>∞</mml:mi>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>/</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>O</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>c</mml:mi>
                              <mml:mi>∞</mml:mi>
                            </mml:msub>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                          <mml:mo>/</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The term divergent for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the brackets is pure imaginary and the non-divergent term is complex. Suppose that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are dominantly real (this is true for the most of the solutions as is shown in Section 3.) and remember that the real or the imaginary part of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (or their linear combination without spatio-temporal dependence) can be the solution. Then, by appropriately choosing the phase of the constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> so as to cancel the phase factor in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mtext> i </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and by choosing the real part of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> r </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the divergence due to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> out </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is removed. The remaining terms converge to zero. Together with (A1) and (A3), it turns out what we need is to solve the condition </p>
      <disp-formula id="FD32">
        <label>(A8)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>H</mml:mi>
                          <mml:mi>μ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                </mml:msub>
                <mml:mi>R</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>i.e.</italic>, the zeros of the first derivative of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . They are generally complex [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. For numerical calculations involving the cylindrical functions with complex order, their integral representations were used. </p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Davidson, P.A. (2015) Turbulence. Oxford University Press. https://global.oup.com/academic/product/turbulence-9780198722595?cc=jp&amp;lang=en&amp;</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Davidson, P.A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2015</year>
            <article-title>Turbulence</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">Lighthill, M.J. (1952) On Sound Generated Aerodynamically I. General Theory. <italic>Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences</italic>, 211, 564-587. https://doi.org/10.1098/rspa.1952.0060 <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.1952.0060</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1098/rspa.1952.0060">https://doi.org/10.1098/rspa.1952.0060</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Lighthill, M.J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1952</year>
            <article-title>On Sound Generated Aerodynamically I</article-title>
            <source>General Theory. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences</source>
            <volume>211</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.1952.0060</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="web">Proudman, I. (1954) The Generation of Noise by Isotropic Turbulence. <italic>Proceeding of the Royal Society of London</italic>, 214, 119-132. https://www.semanticscholar.org/paper/The-generation-of-noise-by-isotropic-turbulence-Taylor/618ab5dbb157cd85ae7862f1d019cfad174b6de5</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="web">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Proudman, I.</string-name>
            </person-group>
            <year>1954</year>
            <article-title>The Generation of Noise by Isotropic Turbulence</article-title>
            <source>Proceeding of the Royal Society of London</source>
            <volume>214</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Lilley, G.M. (1994) The Radiated Noise from Isotropic Turbulence. <italic>Theoretical and Computational Fluid Dynamics</italic>, 6, 281-301. https://doi.org/10.1007/bf00311842 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf00311842</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf00311842">https://doi.org/10.1007/bf00311842</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Lilley, G.M.</string-name>
            </person-group>
            <year>1994</year>
            <article-title>The Radiated Noise from Isotropic Turbulence</article-title>
            <source>Theoretical and Computational Fluid Dynamics</source>
            <volume>6</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf00311842</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Dowling, A.P. and Hynes, T.P. (2004) Sound Generation by Turbulence. <italic>European Journal of Mechanics</italic>— <italic>B</italic>/ <italic>Fluids</italic>, 23, 491-500. https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2003.10.014 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.euromechflu.2003.10.014</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2003.10.014">https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2003.10.014</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Dowling, A.P.</string-name>
              <string-name>Hynes, T.P.</string-name>
            </person-group>
            <year>2004</year>
            <article-title>Sound Generation by Turbulence</article-title>
            <source>European Journal of Mechanics—B/Fluids</source>
            <volume>23</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.euromechflu.2003.10.014</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Terakado, D., Nonomura, T., Kawai, S., Aono, H., Sato, M., Oyama, A., <italic>et al</italic>. (2022) Sound Source Characteristics Generated by Shocklets in Isotropic Compressible Turbulence. <italic>Physical Review Fluids</italic>, 7, Article ID: 084605. https://doi.org/10.1103/physrevfluids.7.084605 <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevfluids.7.084605</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1103/physrevfluids.7.084605">https://doi.org/10.1103/physrevfluids.7.084605</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Terakado, D.</string-name>
              <string-name>Nonomura, T.</string-name>
              <string-name>Kawai, S.</string-name>
              <string-name>Aono, H.</string-name>
              <string-name>Sato, M.</string-name>
              <string-name>Oyama, A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2022</year>
            <article-title>Sound Source Characteristics Generated by Shocklets in Isotropic Compressible Turbulence</article-title>
            <source>Physical Review Fluids</source>
            <volume>7</volume>
            <fpage>084605</fpage>
            <elocation-id>ID</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevfluids.7.084605</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Routh, S. and Musielak, Z.E. (2025) Lighthill’s Theory of Sound Generation in Non-Isothermal and Turbulent Fluids. <italic>Fluids</italic>, 10, Article 156. https://doi.org/10.3390/fluids10060156 <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/fluids10060156</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3390/fluids10060156">https://doi.org/10.3390/fluids10060156</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Routh, S.</string-name>
              <string-name>Musielak, Z.E.</string-name>
            </person-group>
            <year>2025</year>
            <article-title>Lighthill’s Theory of Sound Generation in Non-Isothermal and Turbulent Fluids</article-title>
            <source>Fluids</source>
            <volume>10</volume>
            <elocation-id>156</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/fluids10060156</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Howe, M.S. (2002) Theory of Vortex Sound. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/cbo9780511755491 <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/cbo9780511755491</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1017/cbo9780511755491">https://doi.org/10.1017/cbo9780511755491</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Howe, M.S.</string-name>
            </person-group>
            <year>2002</year>
            <article-title>Theory of Vortex Sound</article-title>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/cbo9780511755491</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Raichel, D.R. (2006) The Science and Applications of Acoustics. Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Raichel, D.R.</string-name>
            </person-group>
            <year>2006</year>
            <article-title>The Science and Applications of Acoustics</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Mashiko, W. and Shimada, U. (2021) Observed Near-Surface Wind Structure in the Inner Core of Typhoon Goni (2015). <italic>Monthly Weather Review</italic>, 149, 1785-1800. https://doi.org/10.1175/mwr-d-20-0294.1 <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/mwr-d-20-0294.1</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1175/mwr-d-20-0294.1">https://doi.org/10.1175/mwr-d-20-0294.1</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Mashiko, W.</string-name>
              <string-name>Shimada, U.</string-name>
            </person-group>
            <year>2021</year>
            <article-title>Observed Near-Surface Wind Structure in the Inner Core of Typhoon Goni (2015)</article-title>
            <source>Monthly Weather Review</source>
            <volume>149</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1175/mwr-d-20-0294.1</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Feng, Y., Wu, L., Liu, Q. and Zhou, W. (2021) Negative Pressure Perturbations Associated with Tornado-Scale Vortices in the Tropical Cyclone Boundary Layer. <italic>Geophysical Research Letters</italic>, 48, e2020GL091339. https://doi.org/10.1029/2020gl091339 <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020gl091339</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1029/2020gl091339">https://doi.org/10.1029/2020gl091339</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Feng, Y.</string-name>
              <string-name>Wu, L.</string-name>
              <string-name>Liu, Q.</string-name>
              <string-name>Zhou, W.</string-name>
            </person-group>
            <year>2021</year>
            <article-title>Negative Pressure Perturbations Associated with Tornado-Scale Vortices in the Tropical Cyclone Boundary Layer</article-title>
            <source>Geophysical Research Letters</source>
            <volume>48</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020gl091339</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Burgers, J.M. (1948) A Mathematical Model Illustrating the Theory of Turbulence. <italic>Advances in Applied Mechanics</italic>, 1, 171-199. https://doi.org/10.1016/s0065-2156(08)70100-5 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0065-2156(08)70100-5</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/s0065-2156(08)70100-5">https://doi.org/10.1016/s0065-2156(08)70100-5</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Burgers, J.M.</string-name>
            </person-group>
            <year>1948</year>
            <article-title>A Mathematical Model Illustrating the Theory of Turbulence</article-title>
            <source>Advances in Applied Mechanics</source>
            <volume>2156</volume>
            <issue>08</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0065-2156(08)70100-5</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B13">
        <label>13.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="web">Döring, B. (1966) Complex Zeros of Cylinder Functions. <italic>Mathematics of Computation</italic>, 20, 215-222. https://www.semanticscholar.org/paper/Complex-zeros-of-cylinder-functions-D%C3%B6ring/38402dc30b2c45c943a1d7a0aeb9eda5809361a3</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="web">
            <year>1966</year>
            <article-title>Complex Zeros of Cylinder Functions</article-title>
            <source>Mathematics of Computation</source>
            <volume>20</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B14">
        <label>14.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Cruz, A. and Sesma, J. (1982) Zeros of the Hankel Function of Real Order and of Its Derivative. <italic>Mathematics of Computation</italic>, 39, 639-645. https://doi.org/10.1090/s0025-5718-1982-0669655-8 <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/s0025-5718-1982-0669655-8</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1090/s0025-5718-1982-0669655-8">https://doi.org/10.1090/s0025-5718-1982-0669655-8</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Cruz, A.</string-name>
              <string-name>Sesma, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1982</year>
            <article-title>Zeros of the Hankel Function of Real Order and of Its Derivative</article-title>
            <source>Mathematics of Computation</source>
            <volume>39</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/s0025-5718-1982-0669655-8</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>