Diese Arbeit befaßt sich mit der SAW-STM-Methode, einer Abwandlung der Rastertunnelmikroskopie (engl. scanning tunneling microscopy) zur hochauflösenden Abbildung akustischer Oberflächenwellen (engl. surface acoustic wave). Das Meßprinzip des SAW-STM beruht auf der Modulation des Tunnelabstandes und der hieraus resultierenden Modulation des Tunnelstroms durch die oszillatorische Bewegung der Probenoberfläche. Zur einfacheren Signaldetektion wird ein Heterodyn-Verfahren verwendet, das über eine zusätzliche Modulation der Tunnelspannung das SAW-STM Signal in den kHz-Frequenzbereich verschiebt. Dieses trägt die komplette Information über die Amplitude und die Phase der Tunnelabstandsmodulation. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Abhängigkeit des SAW-STM Signals von den experimentellen Paramtern und von der Topographie der Probe theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Dies führt zu einer kalibrierten Vermessung der oszillatorischen Bewegungsbahn der SAW-tragenden Probenoberfläche. Das untersuchte Materialsystem ist ein 40 nm dicker Goldfilm auf einem LiNbO3-Substrat im Y-Schnitt, das eine Welle vom Rayleigh-Typ in Z-Richtung trägt. Indem ein SAW-STM entwickelt wird, das im Ultrahochvakuum (UHV) arbeitet, wird die SAW-STM Methode hinsichtlich des Spektrums untersuchbarer reaktiver Materialien und hinsichtlich der Signalstabilität. Es wird der Umbau eines kommerziellen Rastertunnelmikroskops zum SAW-STM beschrieben. Zu diesem Zweck wird eine Probenhalterung konstruiert, die den Transfer der Probe zwischen der Bedampfungseinrichtung und dem STM ohne Belüftung der Kammer erlaubt. Gleichzeitig stellt sie automatisch die fünf notwendigen elektrischen Kontakte zum Probenchip her, wenn die Probenhalterung in das STM gesetzt wird. Weiterhin werden die Konstruktion eines UHV-tauglichen Sytems von Hochfrequenz-Signalleitungen und der Bedampfungseinrichtung zur in-situ Probenpräparation beschrieben. Mit diesem UHV-SAW-STM können SAWs einer Amplitude im Bereich von 0.001 Å bis 1 Å angeregt und detektiert werden. Die maximale Frequenz, die eine im UHV-SAW-STM nachweisbare SAW haben kann, beträgt mindestens 360 MHz. Weiterhin wird das in LabVIEW geschriebenen Softwarepacket zur Auswertung der SAW-STM-Daten vorgestellt. Um die SAW-STM-Methode auf ein sicheres Fundament zu stellen, wurde erstmals systematisch die Abhängigkeit des SAW-STM-Signals von den Meßparametern experimentell untersucht. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Theorie des SAW-STM-Signals beschreibt die experimenell gefundenen Abhängigkeiten hinreichend gut. Zentraler Punkt dieser Theorie ist dabei die Berücksichtigung der Abstandsregelung des STM, die im Constant-Current-Modus die Spitzenposition so regelt, daß der mittlere Tunnelstrom konstant ist. Der Vergleich der gemessenen und der theoretischen Abhängigkeit der Signalamplitude von der Amplitude der Modulation des Tunnelabstandes ermöglicht dabei die kalibrierte Messung der Amplitude der vertikale Auslenkung der Rayleighwelle. Scans der SAW-STM-Methode liefern Bilder der Topographie sowie der Amplitude und der Phase des SAW-STM-Signals. Mit der Theorie des SAW-STM-Signal der korrugierten Probenoberfläche werden aus der gemessenen Topographie simulierte Amplituden- und Phasebilder erstellt und mit den gemessenen Bildern verglichen. Während die Übereinstimmung mit den gemessenen Amplitudenbildern nur qualitativer Art ist, erlaubt der quantitative Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Phasenbildern die Bestimmung der Exzentrizität der Oszillationsellipse. Zusammen mit der oben erläuterten Messung der vertikalen Auslenkungsamplitude ist somit in dieser Arbeit die Oszillationsellipse der Rayleighwelle vollständig ausgemessen. / This thesis deals with the SAW-STM method, which is a technique based on scanning tunneling microscopy (STM) for the high-resolution mapping of surface acoustic waves (SAW). The measurement principle of the SAW-STM utilizes the modulation of the tunneling distance and the resulting modulation of the tunneling current due to the mechanic oscillation of the sample surface. To facilitate signal detection a heterodyn technique is employed which shifts the measured signal into the kHz-range by adding modulation to the tunneling voltage. The signal contains the entire information about the amplitude and the phase of the SAW-induced tunneling distance modulation. Experiments are presented to investigate the dependence of the signal amplitude on the experimental parameters and on the sample topography. This data is compared to a theory developed to describe the SAW-STM signal, leading to a calibrated measurement of the trajectory of the sample surface which carries the wave. The sample we investigated was a 40 nm gold film deposited on a LiNbO3 substrate in the Y-cut, deformed by a Rayleigh-type wave in the z-direction. To increase signal stability and to extend the range of reactive sample materials we constructed a SAW-STM operating in the ultra-high-vacuum (UHV). In this thesis the conversion of a commercial STM to a SAW-STM is described. A sample holder is constructed, which allows the transfer of the sample between the evaporation stage and the STM without venting the UHV chamber. It provides a contact spring mechanism for the automatical electric contactation of the sample chip, when the sample holder is inserted into the STM. Moreover, we installed a UHV-compatible wiring system for SAW-excitation and for signal detecting and an evaporation stage for in-situ sample preparation. We demonstrate that the UHV-SAW-STM is capable of exiting and detecting surface acoustic waves with an amplitude in the range 0.001 Å to 1 Å. The maximal frequency of SAW which can be studied with the UHV-SAW-STM is found to be at least 360 MHz. For the analysis of SAW-STM data a LabVIEW software package was implemented. To put the SAW-STM technique on a strong basis, we systematically studies the dependence of the SAW-STM signal on the various measurement parameters. The theory of the SAW-STM signal developed in this work is in good agreement with this experimental data. In this theory, we take into account that the STM is operated in the constant-current mode, i.e. the tip position is controlled to keep the average tunneling current constant. The comparison of the measured and the simulated dependence of the signal amplitude on the amplitude of the tunneling distance modulation allows the calibrated measurement of the vertical displacement amplitude of the Rayleigh wave. SAW-STM scans yield images of the topography and of the amplitude and the phase of the SAW-STM signal. Employing the theory of the SAW-STM signal on the corrugated surface, we simulated amplitude and phase imaged based on the measured topography. The agreement between simulated and measured amplitude images is only qualitative. In contrast, the comparison of simulated and measured phase images allows the determination of the excentricity of the oscillation ellipse. Having determined this excentricity and the vertical displacement amplitude of the Rayleigh wave, we have gaind complete knowledge about the geometry of the Rayleigh wave oscillation ellipse.

Ultraschalllevitation kombiniert die Vorteile von Mikrofluidik, wie beispielsweise die sehr geringe benötigte Probenmenge, mit einer wandlosen Probenhandhabung. Obwohl die Kopplung zwischen le- vitierten Tröpchen und verschiedenster analytischer Methoden wie optischer Spektroskopie und Röntgenbeugung sehr genau untersucht ist, fehlt es immer noch an einer etablierten Kopplung mit einer massenspektrometrischen Methode für die Analyse auf molekularer Ebene. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Prinzipien, auf denen eine kontaktlose massenspektrometrische Analyse von levitierten flüssi- gen Proben beruht. Zuerst wurde der neu entworfene akustische Levitator bezüglich des Einflusses seiner Geometrie auf die Levi- tationseigenschaften experimentell und mittels numerischer Simul- tationen untersucht. Die anschließend durch geführten Experimen- te demonstrieren das Potential von Infrarot-Lasern als kombinierte Desorptions- und Ionisationsquelle für organische Substanzen aus einer Mischung aus Wasser und Glycerin als Cromophor. Um einen tieferen Einblick in die hierbei ablaufenden Ionisationsmechanismen zu erhalten, wurde als Modell ein “Sonic-Spray” Konus räumlich per Massenspektrometrie und Laser-induzierter Fluoreszenz untersucht. Levitator-Geometrie auf die Levitationseigenschaften stimmen sehr gut mit numerischen Simulationen überein. Als komplementäre Ionisationsmethode wurde eine Niedertemperatur-Plasmaquelle ein- gesetzt. Nach einer zeitaufgelösten Untersuchung der grundlegenden Ionisationsmechanismen wurde diese Quelle für die Untersuchung flüchtiger Spezies aus der levitierten Probe in deren direkten Umgebung ohne störende Interferenzen ge- nutzt. / Ultrasonic levitation combines advantages of microfluidics like the required small sample volumes with a wall-less sample handling. While the coupling of analytical methods like optical spectroscopy as well as x-ray scattering are very well elaborated, an established mass spectrometric method to obtain molecular analytical information is still lacking. The herein presented work describes the fundamental processes for a contactless mass spectrometric analysis of levitated droplets. First, the influences of the specially designed levitator geometry on the levitation capabilities is described. During further experiments, the use of infrared lasers has proven useful as a combined desorption and ionization source for organic molecules from a mixture of water and glycerol as chromophore. Subsequently, sonic-spray ionization was used to gain a deeper understanding of the ionization processes occurring within the spray plume. Mass spectrometric mapping as well as laser-induced fluorescence were performed to investigate the ionization during an aerodynamic breakup of the micro droplets in the spray process. As a complementary sampling method, the ionization with a low- temperature plasma source is described. First, a time-resolved mass spectrometric investigation of the ionization process is shown. Sub- sequent to this fundamental study, the application of such a plasma source for the direct analysis of volatile compounds from within the droplets in the surrounding environment without interferences from the droplets bulk phase is described.

Sinnessysteme erfassen und verarbeiten staendig die vielfaeltigen und komplexen Reize der Umwelt. Um die funktionellen Eigenschaften eines solchen Systems zu untersuchen, verwendet man jedoch oft relativ einfache, abstrakte Reize. Diese Reize erlauben aber meist nicht, die Funktion des Systems im Verhaltenskontext zu interpretieren. Ferner erhaelt man durch einfache Reize im allgemeinen eine unvollstaendige Beschreibung des Systems. Innerhalb dieser Arbeit zeige ich exemplarisch am Beispiel von auditorischen Rezeptorneuronen von Heuschrecken, wie man natuerliche Stimuli einsetzen kann, um die sensorische Codierung zu untersuchen.Heuschrecken verwenden akustische Kommunikation zur Partnerfindung und -auswahl. Dabei sind die Weibchen hochselektiv bei der Wahl eines Maennchens. Von besonderem Interesse ist daher, inwieweit Informationen ueber Unterschiede zwischen Maennchengesaengen durch die auditorischen Rezeptoren des Weibchens erhalten werden. Wie in der Arbeit gezeigt wird, liefern selbst einzelne Rezeptorneuronen hinreichend Information, um selbst kleine Unterschiede zwischen den Maennchengesaengen zu erkennen. Diese erstaunliche Aufloesung der Gesaenge dient vermutlich der Auswahl von genetisch hochwertigen Partnern. Ferner wird gezeigt, dass auditorische Rezeptoren nicht allgemein viel Information ueber Stimuli liefern, sondern auf spezifische Zeitskalen und Strukturen der natuerlichen Stimuli optimiert sind. Falls sensorische Systeme generell gut auf die jeweilig verhaltensrelevanten Stimuli abgestimmt sind, so kann man diese Stimuli auch automatisch finden. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Online-Algorithmus vorgestellt, der dieses Ziel unter Verwendung informationstheoretischer Prinzipien erreicht. Dieser Algorithmus kann in Zukunft dazu dienen, die Effizienz elektrophysiologischer Experimente in beliebigen Systemen zu erhoehen. / In their natural environment, sensory systems process a wealth of complex stimuli. In contrast, most experimental tests of sensory systems employ simple stimuli that can be described by one or two parameters. However, these simple stimuli do usually not allow to relate the function of a specific system to an animal's behaviour. Furthermore, in many cases a complete characterisation of a sensory system cannot be achieved by simple stimuli alone. Within this thesis, I demonstrate how one can employ natural stimuli to study aspects of sensory coding. Grasshoppers use acoustic communication for mate detection and selection. Females show preferences for certain "qualities" of the signals produced by different conspecific males. In this thesis, I investigated how much information female grasshoppers obtain about differences between the mating songs of males. Already single auditory receptor neurons of female grasshoppers encode sufficient information to distinguish even fine variations of male songs. Presumably, this astonishing resolution is needed to single out males of high genetic quality. Furthermore, I show that the ensemble of stimuli that best explores the coding regime of a given receptor has features and time scales that are typical for grasshopper songs. If a close match between the behaviourally relevant stimuli and the sensory system is an evolutionary design principle, then one can extract the relevant stimuli from a given system without prior knowledge. In the last part of the thesis, an online algorithm is introduced, that achieves this goal using information-theoretic principles. This algorithm might help to improve the performance of experiments within the limited time of an electrophysiological recording session.

Akustische Signale dienen vielen Tierarten als Mittel zur Partnerfindung. Diese Tiere müssen ihre Entscheidung für den besten Paarungspartner durch die Integration der Parameter verfügbarer Signale treffen. Das Wahlverhalten weiblicher Grillen basiert auf der Attraktivität des zeitlichen Musters des männlichen Gesangs und auf dessen Intensität. Diese Eigenschaften korrelieren nicht zwangsweise positiv, daher wird sich kein Männchen in einer Aggregation von singenden Männchen als überragend abheben und somit wird dem Weibchen die Entscheidung erschwert. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage wie die relevanten Merkmale des männlichen Gesangs während der Entscheidungsfindung des Weibchens integriert werden. 6 Arten von Feldgrillen wurden in nicht-Wahl- und Wahlexperimenten hinsichtlich ihrer Antworten und Präferenzen für männliche Signale, welche sich in Pulsrate, Modulationstiefe, Intensität, Anordnung der Chirps während der Wiedergabe und der zeitlichen Verschiebung zweier Signale zueinander unterschieden, getestet. Des Weiteren wurde durch Transitivitätstests untersucht, ob dem Wahlverhalten weiblicher Grillen rationale oder vergleichende Entscheidungsmechanismen zugrunde liegen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Verarbeitungsmechanismen, welche der Entscheidungsfindung bei weiblichen Feldgrillen zugrunde liegen, in den untersuchten Arten ähnlich sind. Die Lokalisierung des Signals ist nicht unabhängig von der Erkennung. Neben einem generellen Verarbeitungsschema wurden zwischen den einzelnen untersuchten Arten charakteristische Unterschiede in der Mustererkennung, der Verarbeitung der Signalintensität und der Intensitätsgewichtung festgestellt. Jedoch wiesen nah verwandte Arten ähnlichere Präferenzen auf, als nicht nah verwandte Arten. Die Tests zur Transitivität der Präferenzen weisen auf vergleichende Entscheidungs-mechanismen hin und widersprechen einer rationalen Partnerwahl. / In many animals acoustic signals serve for mate attraction. They thus need to make a decision about which is the best mating partner in a choice situation by integrating the cues of the available signals. Choice behaviour in female crickets is based on the attractiveness of the temporal pattern of a male’s calling song and on its intensity. The parameters of a calling song are not necessarily positively correlated and no male will emerge as superior in an aggregation of singing males. The present thesis addresses the question on which cues decision making is based and how these relevant cues of a male’s song are integrated during the decision process of a female. To this aim no-choice and choice experiments with 6 species of field crickets were conducted. Experiments systematically varied pulse rate, modulation depth, intensity, chirp/trill arrangement and temporal shifts of synchronously presented signals. Furthermore, tests for transitivity of preferences examined if female choice behavior is based on rational or comparative decision making mechanisms. In summary, the results reveal that sensory processing underlying female decisions is similar in the 6 species studied here. Incoming signals are analyzed separately in bilaterally paired networks with parallel pathways for signal attractiveness and signal intensity. A gain-control mechanism fuses the outcome of both pathways and signal intensity is weighted by pattern attractiveness. Thus localization is not independent from signal recognition. Despite this general scheme remarkable characteristic differences between species were observed in pattern recognition, processing of signal intensity and weighting of signal intensity. Closely related species exhibited more similar preferences than unrelated species. Furthermore the tests for transitivity of preferences indicated that females use comparative decision making mechanism and contradicted rational mate choice.

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann.

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The variety of middle-class speakers in St. John’s conforms to some degree to mainland Canadian-English pronunciation norms, but in complex and distinctive ways (Clarke, 1985, 1991, 2010; D’Arcy, 2005; Hollett, 2006). One as yet unresolved question is whether speakers of this variety participate in the Canadian Shift (cf. Clarke, 2012; Chambers, 2012), a chain shift of the lax front vowels that has been confirmed for many different regions of Canada (e.g. Roeder and Gardner, 2013, for Thunder Bay and Toronto, Sadlier-Brown and Tamminga, 2008, for Halifax and Vancouver). While acoustic phonetic analyses of St. John’s English are rare, some claims have been made that urban St. John’s speakers do not participate in the shift, based on two or six speakers (Labov, Ash & Boberg, 2006; Boberg 2010). Other researchers with larger data sets suggest that younger St. John’s speakers participate in mainland Canadians innovations to different degrees than mainlanders (e.g. Hollett, 2006). The Canadian Shift has not been uniformly defined, but agreement exists that with the low-back merger in place, BATH/TRAP retracts and consequently DRESS lowers. Clarke et al. (1995), unlike Labov et al. (2006), assert that KIT is subsequently lowered. Boberg (2005, 2010), however, emphasizes retraction of KIT and DRESS and suggests unrelated parallel shifts instead. In this PhD thesis, I demonstrate the presence of the Canadian Shift in St. John’s, NL, conforming to Clarke et al.’s (1995) original proposal. In my stratified randomly-sampled data (approx. 10,000 vowels, 34 interviewees, stratified as to age, gender, socioeconomic status, and “local-ness”), results from Euclidean distance measures, correlation coefficients, and linear, as well as logistic, mixed-effects regression show that (1) young St. John’s speakers clearly participate in the shift; and that (2) age has the strongest and a linear effect. Continuous modeling of age yields even more significant results for participation in a classic chain shift (6% decrease in lowering per added year). My findings also confirm that the change seems to have entered the system via formal styles (cf. Clarke, 1991, 2010, for TRAP in St. John’s). Traditionally, the linguistic homogeneity on a phonetic level of the Canadian middle class has been explained by Canada’s settlement and migration patterns of the North American Loyalists from Ontario to the west (cf. Chambers, 2009). Newfoundland’s settlement is distinct, in that the British and the Irish were the only two relevant sources. If settlement were the only crucial reason for a shared pronunciation of Canada’s middle class from Vancouver to St. John’s, the Canadian Shift should be absent in the latter region. I suggest three reasons for middle-class St. John’s’ participation in the Canadian Shift: 1) Newfoundland’s 300-year-old rural-urban divide as a result of its isolation, through which British/Irish features are attributed to rural und lower social class speakers; 2) the development of the oil industry since the 1990’s, through which social networks changed according to the perception of social distance/closeness; and 3) the importance of the linguistic marketplace, which is high in St. John’s due to 1) and 2).

The bassoon is a conical woodwind instrument blown with a double-reed mouthpiece. The sound is generated by the periodic oscillation of the mouthpiece which excites the air column. The fundamental frequency of this oscillation is determined to a large extent by the resonances of the air column. These can be varied by opening or closing tone-holes. For any given tone hole setting a fine-tuning in pitch is necessary during playing. Musicians adjust the slit opening of the double-reed by pressing their lips against the opposing reed blades. These so-called embouchure corrections are required to tune the pitch, loudness and sound color of single notes. They may be tedious, especially if successive notes require inverse corrections. However, such corrections are essential: Due to the very high frequency sensitivity of the human ear playing in tune is the paramount requirement when playing music. This implies, that embouchure actions provide an important insight into a subjective quality assessment of reed wind instruments from the viewpoint of the musician: An instrument requiring only small corrections will be comfortable to play. Theoretical investigations of the whole system of resonator, reed, and musician by use of a physical model nowadays still seem insufficient with respect to the required precision. Therefore the path of well-described artificial mouth measurements has been chosen here. For the separate treatment of the resonator and the double-reed, existing classical models have been used. Modifications to these models are suggested and verified experimentally. The influence of the musician is incorporated by the lip force-dependent initial reed slit height. For this investigation a measurement setup has been built that allows precise adjustment of lip force during playing. With measurements of the artificial mouth parameters blowing pressure, mouthpiece pressure, volume-flow rate and axial lip position on reed, the experiment is fully described for a given resonator setting represented by an input impedance curve. By use of the suggested empirical model the adjustment parameters can be turned into model parameters. A large data set from blowing experiments covering the full tonal and dynamical range on five modern German bassoons of different make is given and interpreted. The experimental data presented with this work can be a basis for extending the knowledge and understanding of the interaction of instrument, mouthpiece and player. On the one hand, they provide an objective insight into tuning aspects of the studied bassoons. On the other hand the experiments define working points of the coupled system by means of quasi-static model parameters. These may be useful to validate dynamical physical models in further studies. The experimental data provide an important prerequisite for scientific proposals of optimizations of the bassoon and other reed wind instruments. It can further serve as a fundament for the interdisciplinary communication between musicians, musical instrument makers and scientists.

The bassoon is a conical woodwind instrument blown with a double-reed mouthpiece. The sound is generated by the periodic oscillation of the mouthpiece which excites the air column. The fundamental frequency of this oscillation is determined to a large extent by the resonances of the air column. These can be varied by opening or closing tone-holes. For any given tone hole setting a fine-tuning in pitch is necessary during playing. Musicians adjust the slit opening of the double-reed by pressing their lips against the opposing reed blades. These so-called embouchure corrections are required to tune the pitch, loudness and sound color of single notes. They may be tedious, especially if successive notes require inverse corrections. However, such corrections are essential: Due to the very high frequency sensitivity of the human ear playing in tune is the paramount requirement when playing music. This implies, that embouchure actions provide an important insight into a subjective quality assessment of reed wind instruments from the viewpoint of the musician: An instrument requiring only small corrections will be comfortable to play. Theoretical investigations of the whole system of resonator, reed, and musician by use of a physical model nowadays still seem insufficient with respect to the required precision. Therefore the path of well-described artificial mouth measurements has been chosen here. For the separate treatment of the resonator and the double-reed, existing classical models have been used. Modifications to these models are suggested and verified experimentally. The influence of the musician is incorporated by the lip force-dependent initial reed slit height. For this investigation a measurement setup has been built that allows precise adjustment of lip force during playing. With measurements of the artificial mouth parameters blowing pressure, mouthpiece pressure, volume-flow rate and axial lip position on reed, the experiment is fully described for a given resonator setting represented by an input impedance curve. By use of the suggested empirical model the adjustment parameters can be turned into model parameters. A large data set from blowing experiments covering the full tonal and dynamical range on five modern German bassoons of different make is given and interpreted. The experimental data presented with this work can be a basis for extending the knowledge and understanding of the interaction of instrument, mouthpiece and player. On the one hand, they provide an objective insight into tuning aspects of the studied bassoons. On the other hand the experiments define working points of the coupled system by means of quasi-static model parameters. These may be useful to validate dynamical physical models in further studies. The experimental data provide an important prerequisite for scientific proposals of optimizations of the bassoon and other reed wind instruments. It can further serve as a fundament for the interdisciplinary communication between musicians, musical instrument makers and scientists.:1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Scientific Approaches to Woodwind Musical Instruments 3 1.3 Organization of the Thesis 6 2 Acoustical Properties of the Bassoon Air Column 7 2.1 Wave propagation in tubes 7 2.1.1 Theory 7 2.1.2 Transmission Line Modeling 8 2.1.3 Implementation 18 2.1.4 Remarks on Modeling Wall Losses in a Conical Waveguide 19 2.2 Input Impedance Measurement 23 2.2.1 Principle 23 2.2.2 Device 23 2.2.3 Calibration and Correction 24 2.3 Comparison of Theory and Experiment 27 2.3.1 Repeatability and Measurement Uncertainty 27 2.3.2 Comparison of numerical and experimental Impedance Curves 32 2.4 Harmonicity Analysis of the Resonator 35 2.4.1 The Role of the Resonator 35 2.4.2 The reed equivalent Volume 35 2.4.3 Harmonicity Map 36 2.5 Summary 38 3 Characterization of the Double Reed Mouthpiece 41 3.1 Physical Model of the Double-Reed 41 3.1.1 Working Principle 41 3.1.2 Structural Mechanical Characteristics 42 3.1.3 Fluid Mechanical Characteristics 44 3.2 Measurement of Reed Parameters 49 3.2.1 Quasi-stationary Measurement 49 3.2.2 Dynamic Measurement 50 3.3 Construction of an Artificial Mouth 52 3.3.1 Requirements Profile 52 3.3.2 Generic Design 53 3.3.3 The artificial Lip 54 3.3.4 Air Supply 55 3.3.5 Sensors and Data Acquisition 57 3.3.6 Experimental setup 59 3.4 Summary 59 4 Modeling Realistic Embouchures with Reed Parameters 61 4.1 Reed Channel Geometry and Flow Characteristics 61 4.1.1 The Double-Reed as a Flow Duct 61 4.1.2 Bernoulli Flow-Model with Pressure Losses 65 4.1.3 Discussion of the Model 68 4.2 Quasi-static Interaction of Flow and Reed-Channel 72 4.2.1 Pressure-driven Deformation of the Duct Intake 72 4.2.2 Reed-Flow Model including Channel Deformation 75 4.2.3 Influence of Model Parameters 76 4.2.4 Experimental Verification 78 4.3 Effect of the Embouchure on the Reed-Flow 81 4.3.1 Adjustment of the Initial Slit Height 81 4.3.2 Quasi-static Flow in the Deformed Reed-Channel 83 4.3.3 Simplified empirical Model including a Lip Force 85 4.4 Summary 93 5 Survey of Performance Characteristics of the Modern German Bassoon 5.1 Experimental Procedure and Data Analysis 95 5.1.1 Description of the Experiment 95 5.1.2 Time Domain Analysis 97 5.1.3 Spectral Analysis – Period Synchronized Sampling 98 5.1.4 Spectral Centroid and Formants 99 5.1.5 Embouchure parameters 100 5.2 Observations on the Bassoon under Operating Conditions 105 5.2.1 Excitation Parameter Ranges 106 5.2.2 Characteristics of the radiated Sound 110 5.2.3 Reed Pressure Waveform Analysis 115 5.2.4 Summarizing Overview 118 5.3 Performance Control with the Embouchure 120 5.3.1 Register-dependent Embouchure Characteristics 120 5.3.2 Intonation Corrections 123 5.3.3 Sound Color Adjustments 127 5.3.4 Relation to the acoustical Properties of the Resonator 129 5.4 Summary 137 6 Conclusion 139 6.1 Summary 139 6.2 Outlook 141

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann.