Ein experimentelles Verfahren zur akustischen Tomographie im Bereich der atmosphärischen Grenzschicht:
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INHALTSVERZEICHNIS
INHALT
1 EINLEITUNG 1
1.1 MOTIVATION 1
1.2 BODENGEBUNDENE FEMERKUNDUNGSVERFAHREN 1
1.3 AKUSTISCHE TOMOGRAPHIE IN DER ATMOSPHAERE 2
1.4 ZIELE 4
2 GRUNDLAGEN DER SCHALLAUSBREITUNG IN DER ATMOSPHAERE 6
2.1 AUSBREITUNG VON SCHALLWELLEN IN DER ATMOSPHAERE 6
2.1.1 WELLENGLEICHUNG DES SCHALLS 6
2.1.2 SCHALLGESCHWINDIGKEIT 7
2.1.2.1 EINFLUSS DER TEMPERATUR 7
2.1.2.2 EINFLUSS DER ZUSAMMENSETZUNG TROCKENER LUFT 8
2.1.2.3 EINFLUSS DER FEUCHTIGKEIT DER LUFT 9
2.1.2.4 DISPERSION 11
2.1.2.5 EFFEKTIVE SCHALLGESCHWINDIGKEIT 11
2.1.3 GEOMETRISCHE AKUSTIK 12
2.1.4 SCHALLPEGEL 13
2.2 EINFLUSS METEOROLOGISCHER BEDINGUNGEN 14
2.2.1 DAEMPFUNG DURCH LUFTABSORPTION 14
2.2.2 REFRAKTION AN INHOMOGENITAETEN IN DER ATMOSPHAERE 16
2.2.2.1 REFRAKTION AN DER GRENZE ZWEIER MEDIEN 16
2.2.2.2 WINDGESCHWINDIGKEITSGRADIENTEN 17
2.2.2.3 TEMPERATURGRADIENTEN 17
2.2.3 STREUPROZESSE DURCH TURBULENZ 18
2.3 EINFLUSS DES BODENS UND DER BODENBEDECKUNG 20
2.3.1 EBENE WELLEN 20
2.3.2 RAEUMLICHE WELLEN 21
2.3.3 BODENIMPEDANZ 22
2.3.4 BODENWELLENINTERFERENZ 22
2.4 MODELLIERUNG DER SCHALLAUSBREITUNG 23
2.4.1 SCHALLSTRAHLENMODELLE 24
2.4.2 GEKOPPELTE SCHALLAUSBREITUNGSMODELLE 27
3 EXPERIMENTELLE REALISIERUNG DER AKUSTISCHEN LAUFZEITTOMOGRAPHIE 28
3.1 AKUSTISCHE TOMOGRAPHISCHE VERFAHREN 28
3.1.1 AKUSTISCHE DAEMPFUNGSTOMOGRAPHIE 28
3.1.2 AKUSTISCHE LAUFZEITTOMOGRAPHIE 31
3.2 GENAUIGKEIT DER LAUFZEITTOMOGRAPHIE 31
3.2.1 LAUFZEITBESTIMMUNG 32
3.2.2 EINFLUSS METEOROLOGISCHER BEDINGUNGEN 33
3.2.2.1 ATMOSPHAERISCHE SCHICHTUNG 33
3.2.2.2 TURBULENZ 37
3.2.3 EXPERIMENTELLE GENAUIGKEITSGRENZEN 38
3.2.3.1 EINFLUSS MESSTECHNISCHER PARAMETER 38
3.2.3.2 EINFLUSS METEOROLOGISCHER PARAMETER 40
3.2.4 TOLERANZEN DER METEOROLOGISCHEN GROESSEN 42
3.2.4.1 TEMPERATUR 42
3.2.4.2 WINDGESCHWINDIGKEIT 45
3.3 TRENNUNG UNTERSCHIEDLICHER EINFLUESSE AUF DIE SCHALLGESCHWINDIGKEIT
47
3.3.1 REZIPROKE MESSSTRECKEN 48
3.3.2 LINEARE GLEICHUNGSSYSTEME 51
3.3.3 SEPARATION DURCH ZUSAETZLICHE MESSUNGEN 52
I
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN
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INHALTSVERZEICHNIS
3.4 BESTIMMUNG DER LAUFZEIT AKUSTISCHER SIGNALE 53
3.4.1 ANRISSVERFAHREN 53
3.4.2 KORRELATIONSVERFAHREN 54
3.4.2.1 KREUZKORRELATION FUER GLEICHFOERMIGE SIGNALE 54
3.4.2.2 KREUZKORRELATION FUER UNGLEICHFOERMIGE SIGNALE 56
3.4.2.3 KREUZKORRELATION FUER MEHRERE SCHALLQUELLEN 56
3.4.3 ANGEPASSTE KORRELATIONSVERFAHREN 57
4 EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN 59
4.1 TOMOGRAPHISCHES MESSFELD 59
4.2 AKUSTISCHES MESSSYSTEM 62
4.2.1 AUFBAU DES MESSSYSTEMS 62
4.2.1.1 SCHALLSENDER 64
4.2.1.2 SCHALLEMPFAENGER 66
4.2.2 FUNKTIONSWEISE DES MESSSYSTEMS 68
4.3 LAUFZEITMESSUNGEN 69
4.3.1 SIGNALERZEUGUNG 69
4.3.2 AUSWERTUNG DER LAUFZEITDATEN 71
4.4 FELDEXPERIMENTE 74
4.4.1 EXPERIMENT MEPEX 97 75
4.4.2 EXPERIMENT MEPEX 98 77
5 ERGEBNISSE DER AKUSTISCHEN SONDIERUNGEN 79
5.1 BESTIMMUNG AKUSTISCHER UND METEOROLOGISCHER PARAMETER 79
5.1.1 METEOROLOGISCHE BEDINGUNGEN 79
5.1.2 LAUFZEITEN DER SCHALLSIGNALE 79
5.2 AUSWERTUNG DER AKUSTISCHEN SONDIERUNGEN 80
5.2.1 TRENNUNG DES WIND- UND TEMPERATUREINFLUSSES 80
5.2.2 BESTIMMUNG DER LUFTTEMPERATUR 82
5.2.3 BESTIMMUNG DER WINDGESCHWINDIGKEIT 85
5.2.4 BESTIMMUNG ABGELEITETER GROESSEN 86
5.3 GENAUIGKEIT DER AKUSTISCHEN SONDIERUNGEN 88
5.3.1 FEHLERBETRACHTUNG 88
5.3.1.1 MESSTECHNISCHE EINFLUESSE 89
5.3.1.2 EINFLUSS DER AUSBREITUNGSBEDINGUNGEN 90
5.3.1.3 TRENNUNG DER EINFLUESSE AUF DIE SCHALLGESCHWINDIGKEIT 92
5.3.2 RESULTIERENDE TOLERANZBEREICHE 95
6 DISKUSSION 101
6.1 EINSATZBEREICH UND GENAUIGKEIT DER AKUSTISCHEN SONDIERUNGEN 101
6.2 VERGLEICH MIT ANDEREN MESSVERFAHREN 105
6.2.1 BODENGEBUNDENE FEMERKUNDUNGSVERFAHREN 105
6.2.2 BEREITSTELLUNG VON VOLUMENMITTELWERTEN 106
6.2.3 BISHERIGE TOMOGRAPHISCHE STUDIEN IN DER AGS 108
6.3 ANWENDUNGSMOEGLICHKEITEN DER AKUSTISCHEN TOMOGRAPHIE 109
6.4 AUSBLICK 111
7 SCHLUSSFOLGERUNGEN 114
LITERATUR 116
SYMBOLVERZEICHNIS 126
ANHANG 129
' DANKSAGUNG 139
II |
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