Die vorgestellte Methode der akustischen Tomographie (Simultane Iterative Rekonstruktionstechnik) und ein spezieller Auswertungsalgorithmus können flächengemittelte Werte meteorologischer Größen direkt bereitstellen. Somit werden zur Validierung numerischer mikroskaliger Atmosphärenmodelle weitgehend konsistente Daten geliefert. Das Verfahren verwendet die horizontale Ausbreitung von Schallstrahlen in der atmosphärischen Bodenschicht. Um einen allgemeinen Überblick zur Schallausbreitung unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu erhalten, wird ein zweidimensionales Schallausbreitungsmodell genutzt. Von Messungen der akustischen Laufzeit zwischen Sendern und Empfängern an verschiedenen Punkten in einem Meßfeld kann der Zustand der durchquerten Atmosphäre abgeschätzt werden. Die Ableitung flächengemittelter Werte für die Schallgeschwindigkeit und der daraus deduzierten Lufttemperatur resultiert aus der Inversion der Laufzeitwerte für alle möglichen Schallwege. Das angewandte zweidimensionale Tomographiemodell mit geradliniger Schallstrahlapproximation stellt dabei geringe Computeranforderungen und ist auch während des online-Betriebes einfach zu handhaben. / The presented method of acoustic tomography (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique) and a special algorithm of analysis can directly provide area averaged values of meteorological quantities. As a result rather consistent data will be delivered for validation of numerical atmospheric rnicro-scale models. The procedure uses the horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. To obtain a general overview of the sound propagation under various atmospheric conditions a two-dimensional ray-tracing model is used. The state of the crossed atmosphere can be estimated from measurements of acoustic travel time between sources and receivers on different points in an tomographic array. Derivation of area averaged values of the sound speed and furthermore of air temperature results from the inversion of travel time values for all possible acoustic paths. Thereby, the applied straight-ray two-dimensional tomographic model is characterised as a method with small computational requirements and simple handling, especially, during online working.

Since March 2006 the Institute of Meteorology in Leipzig (LIM) is owner of a commercial Mini-SODAR. The Mini-SODAR is very small in size and therefore mobile. It can be set up with low effort in short time at any place. The first testmeasurement was operated in June 2006 at the boundary layer field site Falkenberg that belongs to the Meteorological Observatory Lindenberg (MOL) of the German Meteorological Service (DWD) and was parallel accompanied by the measurement of a windtower and a Doppler-SODAR. The results of this six-hour-measurement are presented here. A statistical comparison between Mini-SODAR, tower data and Doppler-SODAR was performed. Also backscatter intensity and profile data from Mini-SODAR were analysed and interpreted. / Seit März 2006 ist das Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) in Besitz eines kommerziellen Mini-SODARs. Das Mini-SODAR ist auf Grund seiner Größe sehr mobil und lässt sich unter geringem Aufwand schnell an einem beliebigen Standort aufbauen. Die erste größere Testmessung und gleichzeitig Vergleichsmessung dieses Gerätes mit einem Windmast und einem Doppler-SODAR fand im Juni 2006 auf dem Grenzschichtmessfeld in Falkenberg statt, welches zum Meteorologischen Observatorium (MOL) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) gehört. Die Auswertung dieser 6-stündigen Messung wird hier vorgestellt. Es wurde ein statistischer Vergleich zwischen Mini-SODAR, Windmast und Doppler-SODAR durchgeführt. Weiterhin wurden das Sodargramm und die gemessenen Profildaten des Mini-SODARs untersucht und interpretiert.

Der Einfluss interner Schwerewellen (IGW) auf die untere Atmosphäre bei stabiler Schichtung wurde mittels einer Kombination zweier akustischer Fernerkundungsmethoden untersucht. Im Juli 2015 wurde in Zvenigorod, Russland ein gemeinsames Experiment durchgeführt, an welchem sowohl eine Arbeitsgruppe des Oboukhov Institute of Atmospherie Physics (OLAP) als auch des Leipziger Instituts für Metrologie (LIM) teilnahmen. Bei der Feldkampagne wurde die sogenannte acoustic pulse sounding method des OLAPs und die aktustische Laufzeittomographie des LIM eingesetzt, SODAR und RASS Messungen kontrollierten dabei ständig den Zustand der Atmosphäre bezüglich der Wind- und Temperaturprofile. Die internen Schwerewellen wurden anschließend mittels Kreuzkorrelationsanalyse der Zeitserien der gemessenen akustischen Parameter (hier:Laufzeiten) detektiert. Die Empfängersysteme waren an verschiedenen Stellen im Messgebiet verteilt. Deswegen konnten zwei verschiedene Detektionsmethoden angewendet werden. Erstens die Detektion entlang gebrochener Schallstrahlen in der Nähe deren Umkehrpunkte zwischen 50m und 100m und zweitens die Detektion von nahezu horizontal verlaufenden Schallstrahlen welche Sender/Empfänger-Paare verbinden. Somit konnten sowohl vertikale als auch horizontale Informationen über den Zustand der Atmosphäre während des Experiments erfasst werden.

The method of acoustic tomography, based on external sonic energy, is applied inside the atmospheric surface layer to observe near-surface temperature fields. Important advantages of this technique as compared to other measurement methods are their remote-sensing capacity and the possibility to directly derivate area-averaged meteorological quantities. The needed input data for the tomographically inverse algorithm are provided by the interaction of sound waves with the scanned atmospheric layer. The resulting horizontal slices lead to statements on the inhomogeneity of the underlying surface which may result in noticeable difficulties during the analysis of measuring campaigns with conventional methods. / Die auf der Aussendung von Schallenergie basierende Methode der akustischen Tomographie wird in der atmosphärischen Bodenschicht angewendet, um bodennahe Temperaturfelder zu beobachten. Bedeutende Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zu anderen Meßmethoden sind die Fernerkundungskapazität und die Möglichkeit, flächengemittelte Werte meteorologischer Größen direkt abzuleiten. Die für den tomographischen Invertierungsalgorithmus benötigten Eingangsdaten werden durch die Wechselwirkung von Schallwellen mit der durchstrahlten Luftschicht bereitgestellt. Die resultierenden horizontalen Schnittbilder führen zu Darstellungen der Inhomogenität der Oberfläche. Letztere können beachtliche Schwierigkeiten während der Analyse von Messkampagnen mit konventionellen Methoden hervorrufen.

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.

Conventional micro-meteorological measuring methods are not particularly suitable for the investigation of the energy exchange under heterogeneous surface conditions. To consider the influence of the different surface properties, area-covered and spatially averaged meteorological measurements in combination with highly resolved simulations are necessary. In this context, the method of acoustic travel time tomography is introduced to provide information about the horizontal temperature and wind field. Within a field experiment (STINHO-1; Melpitz 2001) the tomographic system and conventional meteorological equipment were utilised inside the investigation area with an extension of several hundred meters (300 x 700 m2), which was arranged over areas with different surface properties: grassland and bare soil. The results of the field experiment show that differences between the measuring systems (insitu and remote sensing) exist and the heterogeneity of the underlying surface is visible in the near surface temperature and wind field at a scale, which can be resolved with highly resolved numerical models. Depending on the incoming solar radiation and the local advection regional distinctions in the air temperature and wind field as well as in the vertical sensible heat fluxes were observed. The investigations demonstrate that the sensitivity of the Acoustic Tomography is sufficient to verify gradients in the meteorological fields even when the horizontal differences are small. / Zur Untersuchung des Energieaustausches über heterogenem Gelände sind konventionelle mikro-meteorologische Messungen und Modellvorstellungen allein nicht ausreichend. Um den Einfluss unterschiedlicher Oberflächen besser berücksichtigen zu können, sind flächendeckende und räumlich mittelnde meteorologische Messungen kombiniert mit hoch aufgelösten numerischen Simulationen notwendig.In diesem Kontext wird die Methode der Akustischen Laufzeitomographie vorgestellt, mit der horizontale Wind- und Temperaturfelder in geeigneter Weise bereitgestellt werden können. Im Rahmen eines Feldexperimentes (STINHO-1; Melpitz 2001) wurde das tomographische System zusammen mit konventionellen meteorologischen Geräten in einem Untersuchungsgebiet mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Metern (300 x 700 m2) über unterschiedlichen Oberflächen (Wiese und gepflügter Acker) eingesetzt. Die Ergebnisse des Feldexperimentes zeigen, dass Unterschiede zwischen den einzelnen Messverfahren existierten und die Heterogenität der Unterlage in den oberflächennahen Temperatur- und Windfeldern auf einer Skala sichtbar ist, die mit kleinskaligen numerischen Modellen aufgelöst werden kann. Die vorgestellten Untersuchungen demonstrieren, dass die Sensitivität der Akustischen Tomographie hinreichend ist, um Gradienten meteorologischer Felder auch bei geringeren horizontalen Unterschieden nachzuweisen.

In den letzten Jahrzehnten wurde das Konzept der grünen und nachhaltigen analytischen Chemie immer wichtiger. Ein wesentlicher Bestandteil besteht darin Chemikalien zu reduzieren und analytische Prozesse zu miniaturisieren. Das Ergebnis ist die Nutzung von kleinen Probenvolumina, welche oft zu Problemen in der Handhabung führen können. Besonders physikalische oder chemische Oberflächeneffekte und Kontaminationen stellen eine Herausforderung dar. Die akustische Levitation ist eine Möglichkeit der berührungslosen Probenhandhabung, d.h. Verunreinigungen und Oberflächenreaktionen sind ausgeschlossen, da die Probe nur mit der umgegebenen Gasphase interagiert. Hier ist eine Kopplung mit analytischen Methoden besonders erstrebenswert. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Implementierung von akustischer Levitation in die massenspektrometrische Analyse. Eine Kombination aus einem akustischen Levitator als kontaktloser Probengeber, Infrarot-Laser Desorption und Ionisierung mittels chemischer Ionisation bei Atmosphärendruck (APCI) ermöglichte die quantitative Analyse von verschiedensten pharmazeutischen Wirkstoffen im nanomolaren Bereich. Dieser grundlegende Aufbau wurde in der Folge weiterentwickelt und optimiert, sodass am Ende ein breites Spektrum an Analyten detektiert werden konnte. Zusätzlich wurde ein Trypsin Verdau miniaturisiert und kontaktlos im akustischen Levitator durchgeführt und massenspektrometrisch analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Trypsinverbrauch gesenkt werden konnte bei gleichzeitiger Verringerung der Reaktionszeit und Verbesserung der Ausbeuten im Vergleich zum Standard-Verfahren. / In recent decades, the concept of green and sustainable analytical chemistry has become increasingly relevant. The main idea is reducing chemicals and miniaturizing analytical processes. The result is the utilization of small sample volumes, which can often lead to handling problems. Especially physical or chemical surface effects and corresponding contaminations are a major challenge. Acoustic levitation is a possibility for non-contact sample handling, i.e. contamination and surface reactions are excluded, since the sample interacts only with the surrounding gas phase. Here, coupling with analytical methods is particularly desirable. The present work describes the implementation of acoustic levitation in mass spectrometric analyses. A combination of an acoustic levitator as a contactless sample supply, infrared laser desorption and post-ionization via atmospheric pressure chemical ionization (APCI) enabled the quantitative analysis of a wide variety of pharmaceutical agents in the nanomolar range. This basic setup was subsequently further developed and optimized so that a wide range of analytes could be detected. Additionally, a trypsin digestion was miniaturized and performed contactless in the acoustic levitator and analyzed by mass spectrometry. The results demonstrated that trypsin consumption could be reduced while simultaneously reaction time decreased and reaction yields increased compared to the tube method.

Knochen und Muskel sind die wichtigsten Gewebe im muskuloskelettalen System welche dem Körper die Bewegungen möglich machen. Beide Gewebetypen sind hochgradig strukturierter Extrazellulärmatrix zugrundegelegt, welche die mechanischen und biologischen Funktionen bestimmen. In dieser Studie wurden die räumliche Verteilung der anisotropen elastischen Eigenschaften und der Gewebemineralisation im humanen kortikalen Femur untersucht mit akustischer Mikroskopie und Synchrotron-µCT. Die homogenisierten elastischen Eigenschaften wurden aus einer Kombination der Porosität und der Gewebeelastizitätsmatrix mit Hilfe eines asymptotischen Homogenisierungsmodells ermittelt. Der Einfluss der Gewebemineralisierung und der Strukturparameter auf die mikroskopischen und mesoskopischen elastischen Koeffizienten wurde unter Berücksichtigung der anatomischen Position des Femurschaftes untersucht. Es wurde ein Modell entwickelt, mit welchem der intramuskuläre Fettgehalt des porcinen musculus longissimus nichtinvasiv mittels quantitativem Ultraschall und dessen spektraler Analyze des Echosignals bestimmt werden kann. Muskelspezifische Parameter wie Dämpfung, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter und cepstrale Paramter wurden aus den RF-Signalen extrahiert. Die Einflüsse der Muskelkomposition und Strukturparameter auf die spektralen Ultraschallparameter wurden untersucht. Die akustischer Parameter werden durch die Muskelfaserorientierung beeinflusst und weisen höhere Werte parallel zur Faserlängsrichtung als senkrecht zur Faserorientierung auf. Die in dieser Studie gewonnenen detaillierten und lokal bestimmten Knochendaten können möglicherweise als Eingabeparameter für numerische 3D FE-Simulationen. Darüber hinaus kann die Untersuchung von Veränderungen der lokalen Gewebeanisotropie neue Einsichten in Studien über Knochenumbildung geben. Diese auf Gewebeebene bestimmten Daten von Muskelgewebe können in numerischen Simulationen von akustischer Rückstreuung genutzt werden um diagnostische Methoden und Geräte zu verbessern. / Bone and muscle are the most important tissues in the musculoskeletal system that gives the ability to move the body. Both tissues have the highly oriented underlying extracellular matrix structure for performing mechanical and biological functions. In this study, the spatial distribution of anisotropic elastic properties and tissue mineralization within a human femoral cortical bone shaft were investigated using scanning acoustic microscopy and synchrotron radiation µCT. The homogenized meoscopic elastic properties were determined by a combination of porosity and tissue elastic matrix using a asymptotic homogenization model. The impact on tissue mineralization and structural parameters of the microscopic and mesocopic elastic coefficients was analyzed with respect to the anatomical location of the femoral shaft. A model was developed to estimate intramuscular fat of porcine musculus longissimus non-invasively using a quantitative ultrasonic device by spectral analysis of ultrasonic echo signals. Muscle specific acoustic parameters, i.e. attenuation, spectral slope, midband fit, apparent integrated backscatter, and cepstral parameters were extracted from the measured RF echoes. The impact of muscle composition and structural properties on ultrasonic spectral parameters was analyzed. The ultrasound propagating parameters were affected by the muscle fiber orientation. The most dominant direction dependency was found for the attenuation. The detailed locally assessed bone data in this study may serve as a real-life input for numerical 3D FE simulation models. Moreover, the assessment of changes of local tissue anisotropy may provide new insights into the bone remodelling studies. The data provided at tissue level and investigated ultrasound backscattering from muscle tissue, can be used in numerical simulation FE models for acoustical backscattering from muscle for the further improvement of diagnostic methods and equipment.

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production.

Ultrasonic transducers are used in many fields of daily life, e.g. as parking aids or medical devices. To enable their usage also for mass applications small and low- cost transducers with high performance are required. Capacitive, micro-machined ultrasonic transducers (CMUT) offer the potential, for instance, to integrate compact ultrasonic sensor systems into mobile phones or as disposable transducer for diverse medical applications. This work is aimed at providing fundamentals for the future commercialization of CMUTs. It introduces novel methods for the acoustic simulation and characterization of CMUTs, which are still critical steps in the product development process. They allow an easy CMUT cell design for given application requirements. Based on a novel electromechanical model for CMUT elements, the device properties can be determined by impedance measurement already. Finally, an end-of-line test based on the electrical impedance of CMUTs demonstrates their potential for efficient mass production.