Acoustic measurements in air: A model apparatus for education and testing

The speed of sound in air mainly depends on temperature and flow properties along the propagation path of acoustic signals. In turn, distributions of these quantities can be determined from sound speed measurements along different propagation paths. In this article, a modular measurement system is presented which is suited to demonstrate the effects of surrounding conditions on the speed of sound, e.g. for educational purposes, and which can be used for an easy testing of new hardware components or algorithms. Underlying mathematical relations are explained and uncertainties are discussed. A sample application of the system within a laboratory shows the effect of local heating on the sound speed along several propagation paths which differ in their spatial distribution with respect to the heating source

Auflösbarkeit turbulenter Strukturen im Bereich der atmosphärischen Grenzschicht mittels akustischer Tomographie

Die akustische Laufzeittomographie ist ein Fernerkundungsverfahren, mit dem zweidimensionale horizontale Verteilungen von Wind und Temperatur in der von turbulenten Prozessen charakterisierten atmosphärischen Grenzschicht bestimmt werden können. Um die Fähigkeit des tomographischen Invertierungsalgorithmus zur Auflösbarkeit bestimmter turbulenter Strukturen zu testen, werden Sensitivitätsstudien durchgeführt. Hierzu wird eine Temperaturzeitreihe erzeugt, deren Spektrum eine charakteristische turbulente Struktur aufgeprägt wird. Nach der Verteilung dieser Temperaturen auf ein zweidimensionales Feld entsprechend einer vorgegebenen Messgeometrie (bekannte Laufwege) können diese Werte in Laufzeiten umgerechnet werden. Die erzeugten künstlichen Messwerte dienen neben den Positionsdaten der Sender und Empfänger als Eingangsgrößen für den Invertierungsalgorithmus. Die nachfolgende Rekonstruktion der meteorologischen Felder aus den Eingangsdaten, deren Analyse und der Vergleich mit den simulierten Reihen ermöglicht es, den Einfluss des verwendeten Algorithmus auf die Datenstruktur abzuschätzen. Des Weiteren wurden bei den Simulationen reale Messbedingungen nachgestellt. Hierzu wurde die systembedingte maximale Wiederholrate einer Einzelmessung, sowie die Unsicherheiten bei der Bestimmung der Schalllaufzeit berücksichtigt.Acoustic travel time tomography is a remote sensing method to determine two-dimensional horizontal distributions of wind and temperature within the atmospheric boundary layer which is dominated by turbulent processes. To investigate the capability of the tomographic inversion algorithm to solve definite turbulent structures, sensitivity studies have been carried out. For that purpose, temperature time series have been generated and a characteristic turbulent structure has been impressed upon their frequency spectra. After distributing these data to a two-dimensional field which arises from the measuring geometry, i.e. the distribution of sound sources and receivers, and the chosen tomographic grid-cell-dimension, the temperature data can be converted to travel times according to the sound ray paths through the tomographic grid. These synthetic travel time data as well as the positions of the sound sources and receivers have been used as the input parameters for the tomographic inversion algorithm. The following reconstruction of the meteorological fields from the input values, their analysis and comparison to the simulated time series and the corresponding spectra allow an estimation of the capability of the inversion algorithm used to solve turbulent structures. Furthermore, real measuring conditions have been simulated. To that purpose, the maximal repeat rates of an individual measurement as well as the uncertainties of the tomographic system have been considered

Maximal möglicher Niederschlag über einem Mittelgebirge

Hier wird ein Verfahren beschrieben, dass den Einfluss der Geländestruktur auf die Niederschlagsmenge, speziell bei Starkniederschlagsereignissen, abbildet. Die physikalischen Prozesse, die in der Atmosphäre zu einer Niederschlagsbildung führen, sind an die Hebung der feuchtegesättigten Luftmassen u.a. an Gebirgshängen gebunden. Diese Niederschlagsbildungsprozesse weisen aus, dass es umso mehr regnet, je stärker das Gelände an Höhe gewinnt und nicht je höher das Gelände liegt. Das Ziel des beschriebenen Verfahrens ist die Abschätzung des flächengemittelten Maximal Möglichen Niederschlages (fMMN) bei vorgegebenen meteorologischen Bedingungen und einer variablen Orografie einer Landschaft. Dieser fMMN setzt sich aus einem an die synoptischen Prozesse gebundenen Niederschlagsanteil (sMMN) und einem aus den orografischen Verhältnisse resultierenden Anteil (oMMN) zusammen. Um die Variabilität der Niederschlagsmengen in Bezug auf die Orografie der Landschaft zu zeigen wird hier ein Niederschlagsverstärkungsfaktor FRR als eine Verhältniszahl zwischen fMMN und sMMN eingeführt. Diese Verhältniszahl kann mit realen Niederschlagsereignissen verglichen werden. Das Verfahren wird exemplarisch für eine Region des mittleren Erzgebirges validiert und steht so für andere Mittelgebirgsregionen zur Verfügung

Untersuchung der Schallimmission im Zentrum von Leipzig

Negativ empfundene Schallereignisse, d.h. Lärm, sind nach wie vor eines der bedeutendsten Umweltprobleme besonders in urbanen Räumen. Die Ausbreitung von Schallwellen findet, abgesehen von Wechselwirkungen mit dem Boden, in der Atmosphäre statt und wird durch deren Struktur beeinflusst. Eine maßgebliche Rolle spielt dabei die raum-zeitliche Variabilität der meteorologischen Größen Temperatur, Windvektor sowie Luftfeuchtigkeit, die durch Brechung, Streuung und Absorption zu einer verstärkten oder verringerten Schallimmission an einem Ort führen kann. Im Rahmen einer Schülerarbeit (“Besondere Lernleistung”) wurden Schallpegelwerte an mehreren Messpunkten auf dem Gelände des Leipziger Instituts für Meteorologie bei verschiedenen Atmosphärenzuständen aufgenommen. Erste Auswertungen der Messergebnisse werden in dieser Studie vorgestellt.Noise is one of the most important environmental problems especially in urban regions. The propagation of sound waves takes place in the atmosphere, apart from interactions with the ground surface, and is influenced by the atmospheric structure. Thereby, the spatial and temporal variability of meteorological quantities like temperature, wind vector and air moisture leads to refraction, scattering and absorption and thereupon to an increased or decreased noise exposure. Within the scope of a pupil’s work sound level measurements were carried out on different places at the site of Leipzig Institute of Meteorology during variable atmospheric conditions. First results are presented in this study

Akustische Abschirmwirkung von Wäldern

Der Bericht beschreibt, wie die akustische Abschirmwirkung von Wäldern mit Hilfe eines akustisch-meteorologischen Modells ermittelt werden kann. Aus den Berechnungen werden meteorologische Zusatzdämpfungen für die Vegetationsarten Wiese, Nadelwald und Laubwald abgeleitet. Insbesondere im schalltechnisch kritischen Nachtzeitraum ist Nadelwald in einem lockeren Bestand für Schallschutzmaßnahmen am besten geeignet. Durch Schallschutzmaßnahmen in Form von Waldflächen kann eine deutliche Verbesserung des Schallschutzes in der Nähe von Straßen und Schienen erreicht werden. Die Veröffentlichung dient der Unterstützung von Planungsempfehlungen für einen verbesserten Schallschutz und wendet sich insbesondere an Immissionsschutz- und Forstbehörden

Agiler Entwicklungsprozess zur Einbindung von Blended-Learning- Elementen in bestehende Lehrveranstaltungen

Digitale Elemente langfristig in bestehende Lehrveranstaltungen zu integrieren, bedarf einer engen Zusammenarbeit aller Beteiligten in Bezug auf didaktische Zielsetzung, technische Aufbereitung und praktische Umsetzung. Die transparente Gestaltung und agile Durchführung dieses Prozesses sind dabei grundlegend für die passgenaue Einbindung neuer Blended-Learning-Elemente. Am Beispiel des Projekts „Blend & Orient Digitaltechnik“ im Bachelorstudiengang Elektrotechnik und Informationstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird vorgestellt, wie ein solcher Prozess entwickelt werden kann und welche Unterstützungsstrukturen dafür notwendig sind. Ziel des Projekts ist es, in eine bestehende Lehrveranstaltung lern- und motivationsfördernde Challenges einzusetzen, die im Blended-Learning-Format gestaltet werden und die Veranstaltungsteile stärker miteinander verknüpfen und strukturieren sollen. Didaktische wie technische Unterstützung soll dabei eine Ermöglichungskultur etablieren, die als Beispiel dienen kann, um Blended Learning auch in anderen Veranstaltungen des Studiengangs zu integrieren

Sensitivitätsstudien verschiedener Invertierungsalgorithmen für die akustische Laufzeittomographie in der Atmosphäre

Das Verfahren der akustischen Laufzeittomographie ermöglicht es, flächengemittelte Temperaturverteilungen zu rekonstruieren. Zur Ableitung der gesuchten Temperaturwerte aus den Informationen, die entlang bekannter Ausbreitungswege akustischer Signale durch ein Untersuchungsvolumen gewonnen werden, existieren zahlreiche Invertierungsverfahren. Mit Sensitivitätsstudien sowohl synthetisch erzeugter als auch experimenteller Datenreihen wurden die erhaltenen Rekonstruktionsergebnisse mittels Matrixinversion,iterativer algebraischer Rekonstruktionstechniken und stochastischer Inversion bezüglich ihrer Auflösung und Genauigkeit beurteilt. Letztere zeichneten sich besonders durch ihre hoch auflösbaren und exakt rekonstruierten Verteilungen aus, wobei die relativ langen Rechenzeiten dieser Methode für Echtzeit-Auswertungen realer Messkampagnen eher nachteilig sind. Dies stellt jedoch einen Vorteil der anderen getesteten Invertierungsverfahren dar.Acoustic travel-time tomography allows to reconstruct area average temperature distributions. However, to calculate meteorological fields from the information gained by acoustic signals along different paths through a distinct volume several inversion methods can be chosen. Using sensitivity tests of both synthetically generated and experimental data, the reconstruction results obtained with the help of the matrix inverse, iterative algebraic reconstruction techniques, and the stochastic inverse were estimated concerning resolution and accuracy. The latter was characterized by the consistent reconstruction of high resolved and accurate temperature fields. Nevertheless, the relatively long computing time of this method is quite unfavourable for field studies. The other available inversion methods allow the data to be analysed in real time