The interferometric cantilever displacement detection in non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) is in fundamental aspects explored and optimized. Furthermore, the opto-mechanical interaction of the light field with the cantilever is investigated in detail. Cantilevers are harmonic oscillators that are designed to have a high sensitivity for the detection of minute external forces typically originating from tip-sample interaction. In this work, however, the high sensitivity is used for detailed studies of opto-mechanical forces due to the radiation pressure of the light interacting with the cantilever. The interferometer in the NC-AFM setup consists of an optical cavity working similar to a Fabry-Pérot interferometer in combination with a reference interference arm working similar to a Michelson interferometer combining multi-beam interference with a reference beam resulting in a complex superposition of beams forming the interferometric intensity modulation signal. The character of the interferometer can be adjusted from predominant Michelson to predominant Fabry-Pérot characteristics by the optical loss inside the cavity. A systematic approach for accurate alignment, by using 3D intensity maps and intensity-over-distance curves, as well as the implications of deficient fiber-cantilever configurations are explored and the impact of the interferometer configuration on the detection system noise floor is investigated. A new physical property, namely, the Fabry-Perot enhancement factor is introduced that is a direct measure for the light intensity interacting with the cantilever compared to the reference beam intensity reflected back inside the fiber. The quantification of the optical loss yields an exact knowledge of the amount of light interacting with the cantilever that is crucial to understand opto-mechanical effects. The resulting opto-mechanical force varies sinusoidally during the course of one oscillation cycle. It is a key result of this work that the sinusoidal modification of the cantilever restoring force can be described analogue to the restoring force of a pendulum. This results in an observable amplitude dependent frequency shift of the cantilever oscillation, allowing a calculation of the ratio of the opto-mechanical force relative to the cantilever restoring force and thus allows an in-situ measurement of the cantilever stiffness with remarkable precision. Further investigation of the cantilever oscillation yields that other characteristic properties of the oscillation are significantly modified by the opto-mechanical interaction. The observed effective fundamental mode Q-factor drops significantly while the cantilever amplitude response to a certain excitation voltage increases. A discrete numerical model describing the cantilever as a 1D linear chain of mass points is implemented, yielding that the additional opto-mechanical force results in a partial pinning of the cantilever at the edges of the interferometric fringes. Pinning efficiently shifts energy from the fundamental mode to higher modes and modes of a pinned cantilever, resulting in a complex modal structure.

Thermoakustische Motoren wandeln Wärme in die Energie einer Schallwelle um. In Kombination mit einem akustisch-elektrischen Wandler lassen sie sich nutzen, um aus einem niedertemperierten Wärmestrom höherwertige elektrische Leistung zu generieren. Sie besitzen einen einfachen Aufbau und können dabei einen relativ hohen Wirkungsgrad erreichen. Als wesentliche Voraussetzung praktischer Anwendungen gilt die Verwertbarkeit niedertemperierter Wärmeströme. Die Entwicklung mehrstufiger thermoakustischer Motoren auf Basis eines λ-Resonators hat gezeigt, dass dieses Kriterium erfüllbar ist. Störungen der Schallwelle, welche eine effiziente Umsetzung des thermoakustischen Prozesses erschweren, gleichen sich in mehrstufigen Systemen inhärent aus. Mit Hilfe eines zusätzlichen akustisch wirksamen Elements können diese Störungen auch in einstufigen Aufbauten gemindert werden. Obwohl die Methode prinzipiell bekannt ist, fand eine systematische Analyse bisher lediglich rudimentär statt. Mit Ausnutzung der sich ergebenden Möglichkeiten wäre eine der am wenigsten komplexen Formen thermoakustischer Motoren mit geringer Temperaturdifferenz betreibbar. Parallel kann die innovative Anwendung zusätzlicher akustischer Elemente auch in mehrstufigen Anlagen förderlich sein und beschriebene geometrische Restriktionen auflösen. In Form numerischer Studien, gelingt ein Wirksamkeitsnachweis der vorgestellten Methoden. Die Option zur vergleichbaren Justierung des akustischen Feldes in ein- und mehrstufigen Systemen mittels wirksamer Elemente lässt erstmals eine objektive Beurteilung der Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Systemkomplexität zu. Durch eine strukturierte Variation einer Vielzahl geometrischer, akustischer und thermischer Parameter ist zudem die Darstellung sich überlagernder Abhängigkeiten auf Systemebene durchführbar. Die Betrachtungen erlauben einen tieferen Einblick in die Funktionsweisen und erweitern das generelle Verständnis grundlegend. Mit der Nutzung eines eigens entwickelten thermoakustischen Versuchsstandes erfolgt eine experimentelle Validierung der verwendeten Simulationsmodelle am Beispiel des einstufigen Motors. Dieser kommt auch für weiterführende Untersuchungen zur Unterdrückung schadhafter konvektiver Strömungen zum Einsatz. Mit der Implementierung einer vollbetriebsfähigen bidirektionalen Turbine zur akustisch-elektrischen Wandlung erfolgt ein erster Funktionsnachweis eines thermoakustisch-elektrischen Generators nach besprochener Bauform. Die umfassenden Analyseergebnisse lassen sich als Entwurfsvorlage für die optimierte Umsetzung nachfolgender thermoakustischer Systeme nutzen. Unter Berücksichtigung der vorgestellten Methoden zeigt die Arbeit mögliche Wege auf, wie sich zukünftig niedertemperierte Wärme für den Betrieb eines elektrischen Verbrauchers verwerten ließe.:Kurzfassung Danksagung Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Thermoakustik 2.1 Geschichtlicher Hintergrund 2.1.1 Frühe Entwicklung 2.1.2 Moderne Entwicklung 2.2 Funktionsprinzip 2.2.1 Richtung der Energieübertragung 2.2.2 Thermodynamischer Vergleichsprozess 2.3 Theorie der linearen Thermoakustik 2.3.1 Verlustloser Kanal 2.3.2 Viskose und thermische Randschichteffekte 2.3.3 Berücksichtigung eines Temperaturgradienten 2.3.4 Akustische Leistung 2.4 Anwendungen 2.4.1 Anwendungen nach dem Prinzip einer stehenden Welle 2.4.2 Anwendungen nach dem Prinzip einer Wanderwelle 2.4.3 Anwendungen für die Nutzung von Niedertemperatur-Wärme 3 Parameterstudie an einem einstufigen System 3.1 Zugrunde liegender Aufbau und DeltaEC-Modell 3.2 Untersuchte Parameter 3.2.1 Akustische Bedingungen im Regenerator 3.2.2 Geometrie des Regenerators 3.2.3 Geometrie der Wärmeübertrager 3.2.4 Flächenverhältnis und Länge der Hohlräume 3.2.5 Akustische Last und Wirkungsgrad 3.2.6 Prozessparameter - Druck, Gas, Resonanzfrequenz und Temperatur 3.3 Ergebnisse und Diskussion 3.3.1 Akustische Bedingungen im Regenerator 3.3.2 Geometrie des Regenerators 3.3.3 Geometrie der Wärmeübertrager 3.3.4 Flächenverhältnis und Länge der Hohlräume 3.3.5 Akustische Last 3.3.6 Prozessparameter – Druck, Gas, Resonanzfrequenz und Temperatur 3.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 4 Alternative Varianten zur Manipulation der akustischen Bedingungen 4.1 Bauformen einstufiger Systeme 4.2 Übergeordnete Position des Stutzens 4.3 Kompressibel und träge wirkende Rohrabschnitte 4.3.1 Funktionsweise der wirksamen Rohrabschnitte 4.3.2 Abhängigkeit von der Länge der wirksamen Rohrabschnitte 4.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 5 Mehrstufige Systeme 5.1 Zweistufige Systeme 5.1.1 Symmetrisches zweistufiges System mit gesonderter Impedanzanpassung 5.1.2 Zweistufiges System mit natürlicher Selbstanpassung 5.2 Drei-, vier- und fünfstufige Systeme 5.2.1 Akustische Bedingungen bei natürlicher Selbstanpassung 5.2.2 Beeinflussung der Selbstanpassung durch akustisch wirksame Elemente 5.2.3 Beeinflussung der Selbstanpassung durch unterschiedlich lange Hohlräume 5.3 Leistungsvergleich bezüglich Wirkungsgrad und Temperatur 5.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 6 Auslegung, Entwurf und Aufbau des thermoakustischen Versuchsstandes 6.1 Anforderungen an den thermoakustischen Versuchsstand 6.2 Thermoakustischer Motor 6.2.1 Struktureller Rohrleitungsbau 6.2.2 Regenerator 6.2.3 Wärmeübertrager 6.2.4 Gesamtsystem des thermoakustischen Motors 6.3 Kontrolle der Gedeon-Strömung 6.3.1 Theorie der Gedeon-Strömung 6.3.2 Membran 6.3.3 Strömungsdiode 6.4 Helmholtz-Resonator als akustische Last 6.4.1 Theoretische Grundlagen 6.4.2 Entwurf und Aufbau 6.5 Bidirektionale Turbine als akustisch-elektrischer Wandler 6.5.1 Theoretische Grundlagen 6.5.2 Entwurf und Aufbau 6.6 Wärmezufuhr 6.7 Wärmeabfuhr 6.8 Gasversorgung 6.9 Messtechnik, Datenerfassung und -auswertung 6.9.1 Temperaturmessung 6.9.2 Messung der akustischen Parameter 6.9.3 Steuerung der elektrischen Heizpatronen 6.9.4 Belastung und Vermessung der Turbine-Generator Einheit 6.10 Halterung 7 Versuchsdurchführung und Auswertung 7.1 Bildung des numerischen Modells 7.1.1 Modellbildung des thermoakustischen Motors 7.1.2 Methodik zum Abgleich des akustischen Feldes von Experiment und Simulation 7.1.3 Modellbildung des Helmholtz-Resonators als akustische Last 7.2 Variation der Stutzenparameter bei 1 bar 7.2.1 Umfangskorrektur und Abgleich der Stutzenparameter 7.2.2 Unbelastetes System 7.2.3 Belastetes System 7.3 Variation der Stutzenparameter bei 20 bar 7.3.1 Umfangskorrektur und Abgleich der Stutzenparameter 7.3.2 Unbelastetes System 7.3.3 Belastetes System 7.4 Temperaturabhängigkeit des Leistungsvermögens 7.4.1 Einsetztemperatur der akustischen Schwingung 7.4.2 Temperaturabhängiges Leistungsvermögen 7.5 Untersuchungen am Helmholtz-Resonator 7.5.1 Abhängigkeit der Lastimpedanz von den Stutzenparametern 7.5.2 Variation der Lastposition 7.5.3 Temperaturabhängigkeit der Leistungsfähigkeit 7.5.4 Variation der Halslänge 7.6 Thermalmodell und Wärmeverluste 7.6.1 Thermale Randbedingungen im Modell 7.6.2 Überprüfung der kaltseitigen Wärmeübertragung 7.6.3 Wärmeverluste bei unterbundener thermoakustischer Wandlung 7.6.4 Betriebsabhängige konvektive Wärmeverluste 7.7 Untersuchungen zur Gedeon-Strömung 7.7.1 Einfache Bauart 7.7.2 Geviertelte Bauart 7.7.3 Membran 7.8 Bidirektionale Turbine 7.9 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Einstufige Systeme 8.2 Mehrstufige Systeme 8.3 Experimentelle Versuchsergebnisse 8.4 Ausblick Anhang Literaturverzeichnis

Acoustic simulation of sound propagation inside the vocal tract is a key element of speech research, especially for articulatory synthesis, which allows one to relate the physics of speech production to other fields of speech science, such as speech perception. Usual methods, such as the transmission line method, have a very low computational cost and perform relatively good up to 4-5 kHz, but are not satisfying above. Fully numerical 3D methods such as finite elements achieve the best accuracy, but have a very high computational cost. Better performances are achieved with the state of the art semi-analytical methods, but they cannot describe the vocal tract geometry as accurately as fully numerical methods (e.g. no possibility to take into account the curvature). This work proposes a new semi-analytical method that achieves a better description of the three-dimensional vocal-tract geometry while keeping the computational cost substantially lower than the fully numerical methods. It is a multimodal method which relies on two-dimensional finite elements to compute transverse modes and takes into account the curvature and the variations of crosssectional area. The comparison with finite element simulations shows that the same degree of accuracy (about 1% of difference in the resonance frequencies) is achieved with a computational cost about 10 times lower.

Machines that can talk and listen have been part of historical tradition since antiquity. Dresden also boasts one of the legendary “speaking heads”, which is said to have been made around 1700 by the versatile vice-rector of the “Kreuzschule”, Johann Valentin Merbitz. However, it was not until the Age of Enlightenment, under the influence of Leonhard Euler, that serious scientific attempts were made to build “speaking machines”. One of these, constructed by Wolfgang von Kempelen and described in 1791, has rightly become famous. Its creator presented it on one of his lecture tours in Dresden in 1784, and today a replica from 2009 enhances the Acoustic-Phonetic Collection of the TUD Dresden University of Technology. It was a long road, then, to the establishment of the field that is referred to today as natural language human-machine interaction or more simply as speech. Its development would not have been possible at all without the accompanying preliminary work in electronics and computer technology. At universities, the field was institutionalized in different ways, with its interdisciplinary nature rooted in very different disciplines, such as phonetics, physiology, perceptual psychology, acoustics, communications engineering, and computer science. In Dresden, speech technology emerged as part of weak current engineering. At present, this field is called information technology and has its own collection: the “elektron” Collection.

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.