Wissenschaftliche Mitteilungen aus dem Institut für Meteorologie der Universitaet Leipzig. Vol.44: Akustische Tomographie zur zeitgleichen Erfassung von temperature- und Strömungsfelden / Barth M. - Leipzig: Institut für Meteorologie, 2009. - 174 S. - ISBN 978-3-98-11114-4-9  Место хранения:   061 | Институт оптики атмосферы CO РАН | Томск | Библиотека

Contents

1. Einleitung ................................................... 1 2. Eigenschaften der Schallausbreitung .......................... 5 2.1. Ausbreitung von Schall .................................. 5 2.2. Schallgeschwindigkeit in Gasen .......................... 8 2.2.1. Abhangigkeit von der Temperatur .................. 9 2.2.2. Abhangigkeit von der Luftfeuchtigkeit ........... 11 2.2.3. Abhangigkeit von der Stromungsgeschwindigkeit ... 15 2.3. Brechung, Reflexion und Dampfung akustischer Signale ... 17 2.3.1.Intensitatsmaße zur Beschreibung von Schallsignalen ................................... 17 2.3.2. Geometrische Dampfung ........................... 18 2.3.3. Atmospharische Absorption ....................... 18 2.3.4. Brechung in der Atmosphare ...................... 21 2.3.5. Einfluss von Begrenzungsflachen ................. 24 2.3.6. Einfluss von Turbulenz .......................... 26 3. Laufzeitbestimmung akustischer Signale ...................... 29 3.1. Korrelationsmesstechnik ................................ 29 3.2. Fouriertransformation .................................. 31 3.3. Akustische Signale ..................................... 32 3.3.1.Harmonische Signale mit konstanter Frequenz ...... 32 3.3.2. Chirpsignale .................................... 35 3.3.3. Pseudostochastisches Rauschen mit maximaler Periodenlange ................................... 36 3.4. Berechnung der Korrelationsfunktion .................... 43 3.4.1. Schnelle Fouriertransformation .................. 43 3.4.2.Schnelle Hadamardtransformation .................. 44 3.4.3. Vergleich des Rechenzeitaufwandes ............... 47 3.5. Rekonstruktion abgetasteter Signale .................... 48 4. Tomographic zur Darstellung von Verteilungen ................ 51 4.1. Anwendungsgebiete tomographischer Verfahren ............ 51 4.2. Theoretische Grundlagen ................................ 53 4.3. Methoden I: Projection-Slice-Theorem und Fourier-Transform-Methoden ............................. 55 4.4. Methoden II: Algebraische Methoden ..................... 59 4.4.1. Grundlagen ...................................... 59 4.4.2. Konvergenzeigenschaften ......................... 62 4.4.3. Rekonstruktionsalgorithmen ...................... 64 4.4.4. Genauigkeitsbetrachtungen ....................... 67 5. Akustische Laufzeittomographie .............................. 71 5.1. Akustische Laufzeittomographie ......................... 71 5.1.1. Trennung von Temperatur und Strömungseinfluss ... 72 5.1.2. Rekonstruktion von Temperaturfeldern ............ 72 5.1.3. Rekonstruktion von Strömungsfeldern ............. 79 6. Messtechnik für akustische Laufzeittomographie .............. 89 6.1. Hardware ............................................... 90 6.1.1. Akustische Messkarte ............................ 91 6.1.2. Lautsprecher .................................... 92 6.1.3. Mikrophone ...................................... 97 6.2. Software ............................................... 99 6.2.1. Schallsignale .................................. 100 6.2.2. Laufzeitbestimmung ............................. 102 6.3. Genauigkeitsgrenzen ................................... 104 6.4. Beispiel einer Laufzeitmessung ........................ 107 7. Experimentelle Umsetzung ................................... 111 7.1. Atmosphären-Simulationskammer SAPHIR .................. 111 7.1.1. Hintergrund der Messung ........................ 112 7.1.2. Messtechnik .................................... 113 7.1.3. Ergebnisse der Messungen - Temperaturverteilung ........................... 115 7.1.4. Charakterisierung der räumlichen Temperaturvariabilität ......................... 123 7.2. Ilmenauer Fass ........................................ 124 7.2.1. Hintergrund der Messung ........................ 125 7.2.2. Messtechnik .................................... 127 7.2.3. Strömungsrekonstruktion: Simulationsergebnisse .......................... 129 7.2.4. Ergebnisse der Messung - Temperatur- und Strömungsverteilung ............................ 131 7.2.5. Charakterisierung der räumlichen Struktur der Konvektion ........................ 138 8. Schluss .................................................... 141 Literatur ..................................................... 145 Wichtige Formelzeichen und Symbole ............................ 156 Konstanten und Stoffeigenschaften ............................. 161 Abkürzungen ................................................... 163 Anhang A - Berechnung der Permutationsmatrizen zur Durchführung der FHT ............................... 165 Anhang B - Rekonstruktion simulierter Vektorfelder ............ 167 Anhang C - Simulation eines akustischen Dipols ................ 173