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Communicating wirelessly underwater has been an area of interest for researchers, engineers, and practitioners alike. One of the main reasons for the slow rate of progress in this area is that the underwater acoustic channel is in general much more hostile — in terms of multipath, frequency selectivity, noise, and the Doppler effect — than the over-the-air radio frequency channel. In this work a time warp based technique which can be used to model time-varying wideband Doppler shifts (as seen in an UWA channel) in MATLAB is proposed. A corresponding procedure to estimate the parameters from observed data, required for inverting the effect of the time warp, is also proposed. Two different Doppler correction methods are compared; both can be used to undo the Doppler effect in measured data from an experiment subject to the wideband Doppler effect. The techniques presented correct for the wideband Doppler effect as if it changed the time scale of the received signal. The first resampling based technique corrects for the average expansion/contraction over a packet, inherently assuming the relative velocity to be constant over the duration of the packet. The second time warp based technique models time-varying Doppler shift. Sinusoids, added to the beginning and end of each packet, are used to estimate the parameters required to invert the effect of the warp. The time warp based methods are demonstrated using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) signals, but will in principle work for other kinds of wideband signals also. The presented results — using MATLAB based simulations, and over-the-air experiments performed in such a way as to introduce the Doppler effect in the received signals — emphasize the improvements that can be attained by using the time warp based Doppler modeling and correction method. The thesis concludes with suggestions for future work. / Master of Science

The Underwater Acoustic (UWA) channel has been an area of interest for many researchers and engineers, but also a very challenging area. Compared to the over-the-air radio frequency (RF) channel, the underwater acoustic channel causes multiple distortions – due to multipath, frequency selectivity, noise, and Doppler – some of which are more severe. The increased distortion causes many techniques and assumptions made for typical RF communication systems to break down. One of the assumptions that breaks down is that the Doppler effect that the signal undergoes can be modelled with a simple shift in frequency, since the signals used to communicate in a UWA channel are effectively wideband. In this work the Doppler Effect that a signal undergoes is modelled as a nonlinear time warp. A procedure is developed to estimate the parameters of the time warp from the observed signal. These time warp parameters are then used to reverse the effect of the time warp. Two different methods for estimating the time warp parameters and correcting the Doppler are compared. The first technique uses sinusoids placed at the beginning and end of the signal to estimate the parameters of the warp that the signal undergoes. The second technique uses sinusoids that are present during the signal to estimate and correct for the warp. The frequencies of the sinusoids are outside of the frequency range used for the transmitted data signal, so there is no interference with the information that is being sent. The transmitted data signal uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) to encode the data symbols, but the Doppler Correction technique will in principle work for other kinds of wideband signals as well. The results, which include MATLAB based simulations and over-the-air experiments, show that performance improvements can be realized using the time warp correction model. / Master of Science

Dimensionierung und Konstruktion von Bewehrungstextilien für die Anwendung in Textilbeton werden in Abhängigkeit von der resultierenden Last im Bauteil durchgeführt. Um aus der Vielzahl möglicher Varianten von Bewehrungsstrukturen die passenden auszuwählen, wird ein reduziertes Beschreibungsschema zur Auswahl herangezogen. Als Anwendungsbeispiel wird eine komplexe Bewehrungsstruktur beschrieben, die für dünnwandige, selbsttragende Sandwichelemente genutzt wird. Die Sandwichelemente werden als Wandund Dachkonstruktion für ein 20 m² großes modulares Gebäude eingesetzt. Die Bewehrungsstrategie für die Elemente sowie die Herstellungstechnik und Prüfverfahren für die Bewehrung werden beschrieben. Zur Langzeitüberwachung der Sandwichelemente wird ein Monitoring-System verwendet.

L’accélération par sillage laser (ASL) repose sur l’interaction entre un faisceau laser intense et un plasma sous-dense. Au travers de cette interaction, une onde de plasma est générée avec un fort champ accélérateur, de trois ordres de grandeur plus élevé que celui d’un accélérateur conventionnel, rendant envisageable la réalisation d’accélérateurs futurs plus compacts. Pour la conception d’un futur accélérateur, un faisceau d’électrons de forte charge, faible dispersion en énergie et faible émittance doit être accéléré à des grandes énergies. Pour ce faire, la solution consiste à accélérer ces électrons dans un schéma multi-étages, qui est composé de trois étages: un injecteur, une ligne de transport et un accélérateur. Ce travail de thèse porte sur la modélisation de l’injecteur avec le code PIC Warp et sur les méthodes numériques telles que la technique de Lorentz-boosted frame pour diminuer le temps de calcul et la couche absorbante parfaite de Bérenger (PML) pour assurer la précision des calculs numériques. Ce travail de thèse a démontré l’efficacité de la PML dans les schémas FDTD à des ordres élevés et pseudo-spectral. Il a aussi démontré la convergence des résultats des simulations réalisées avec la technique de Lorentz-boosted frame dans un régime fortement non-linéaire de l’injecteur, permettant d’accélérer les calculs d’un facteur important (36) tout en assurant leur précision. La modélisation effectuée dans cette thèse a permis d’analyser et de comprendre les résultats expérimentaux, ainsi que de prédire les résultats des futures expériences. Plusieurs méthodes d’optimisation de l’injecteur ont également été proposées pour la génération d’un faisceau d’électrons conforme aux spécifications d’un futur accélérateur. / Laser Wakefield Acceleration (LWFA) relies on the interaction between an intense laser pulse and an under-dense plasma. This interaction generates a plasma wave with a strong accelerating field, which is three orders of magnitude higher than the one of the conventional accelerator; more compact accelerator is therefore theoretically possible. In the design of a future accelerator, a high quality electron bunch with a high charge, low energy spread and low emittance has to be accelerated to high energies. A solution for this is a multi-stage accelerator, which consists of an injector, a transport line and accelerator stages. This research work focuses on the modelling of the injector using the PIC code Warp and on the numerical methods such as the Lorentz-boosted frameto speedup calculations and the Perfectly Matched Layer (PML) to ensure the precision in numerical calculations. The outcome of this thesis has demonstrated the efficiency of the PML in the high-order FDTD and the pseudo-spectral solvers. Besides, it has also demonstrated the convergence of the results performed in simulations using the Lorentz-boosted frame technique. This technique speeds up simulations by a large factor (36) while preserving their accuracy. The modelling work in this thesis has allowed analysis and understanding of experimental results, as well as prediction of results for future experiments. This thesis has also shown ways to optimize the injector to deliver an electron bunch that conforms with the specifications of future accelerators.

The possibility of direct preforming in the near net shape of final component structure with load- and shape-conforming fiber orientations is highly essential in composite production, not only to reduce costs but also to attain better mechanical properties and form stability. Based on the concept of varying the reinforcement yarn lengths during the feed-in (warp yarn delivery) and segmented doffing, synchronous working numerically controlled warp yarn delivery and doffing machine modules have been newly developed for multiaxial warp knitting machines to create a resource efficient textile process chain by a single-step, large-scale oriented production of load- and form-conforming warp knitted three-dimensional shell preforms with free-form geometrical surfaces. Such customized preforms in the near component net shape offer higher material utilization and increased lightweight potential.

Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurden im Rahmen der Teilprojekte B1 und B2 des SFB 532 alkalibeständige Glas- und Carbonrovings eingesetzt, die zu offenmaschigen 2D-Textilien verarbeitet wurden. Untersuchungen des Verbund- und des Tragverhaltens der Verstärkungsstrukturen in Pull-Out- und Dehnkörperversuchen haben gezeigt, dass das Potential der Verstärkungsfasern aufgrund einer unvollständiger Durchtränkung der Bewehrung nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. Auch Defizite bei der Produktionstechnik wurden erkannt und für zukünftige Entwicklungen analysiert. Um das Potential der verwendeten Verstärkungsfaser vollständiger auszuschöpfen, wurden innovative Garnkonstruktionen, die sich positiv auf den inneren und/oder den äußeren Verbund auswirken, entwickelt und erprobt. Anhand von Versuchsreihen auf der Textilebene wurden unterschiedliche Textilparameter, wie Art der Bindung, Gittergröße und Wirkfadenspannung, identifiziert, die unmittelbar die Tragfähigkeit der Verbundbauteile beeinflussen. Für die gängigen Produktionstechniken Laminieren, Gießen, Spritzen, Schleudern und Extrudieren wurden entsprechende Bewehrungskonstruktionen abgeleitet, die den Anforderungen des jeweiligen Prozess angepasst wurden. Ein weiterer Punkt der Forschungsaktivitäten stellte die Entwicklung der Maschinentechnik zur Herstellung von Verstärkungstextilien dar. Am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University wurde in Zusammenarbeit mit Industriepartnern ein Maschinenkonzept entwickelt und umgesetzt, das die Herstellung von 3D-Abstandsgewirken mit einer freien Gestaltung der Deckflächen mit marktrelevanten Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht. Zur gezielten Einstellung der Wirkfadenspannung wurde ein Regelungssystem konzipiert und technisch umgesetzt, mit dem eine reproduzierbare Fertigung von textilen Verstärkungsstrukturen möglich wird.

Dimensionierung und Konstruktion von Bewehrungstextilien für die Anwendung in Textilbeton werden in Abhängigkeit von der resultierenden Last im Bauteil durchgeführt. Um aus der Vielzahl möglicher Varianten von Bewehrungsstrukturen die passenden auszuwählen, wird ein reduziertes Beschreibungsschema zur Auswahl herangezogen. Als Anwendungsbeispiel wird eine komplexe Bewehrungsstruktur beschrieben, die für dünnwandige, selbsttragende Sandwichelemente genutzt wird. Die Sandwichelemente werden als Wandund Dachkonstruktion für ein 20 m² großes modulares Gebäude eingesetzt. Die Bewehrungsstrategie für die Elemente sowie die Herstellungstechnik und Prüfverfahren für die Bewehrung werden beschrieben. Zur Langzeitüberwachung der Sandwichelemente wird ein Monitoring-System verwendet.

Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit sind zwei Menschheitsträume; sie beflügeln die Fantasie und bieten Stoff für skurrile Geschichten. Eine Arbeit zum Thema „Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit“ zwingt zu einer Auseinandersetzung mit dem Begriff der „Zeit“. Die Vielschichtigkeit und der antinomische Charakter dieses Begriffes machen es schwer, „Zeit“ genauer zu fassen. Zeit tritt uns entgegen als Form der Wahrnehmung in ihrer zutiefst subjektiven Seite, als biologischer Rhythmus, als soziales Phänomen im Sinne einer kollektiven Zeitbestimmung, aber eben auch als physikalischer Parameter. Einsteins Relativitätstheorie revolutioniert unsere Vorstellungen von Raum und Zeit, indem sie sich vom newton-mechanischen Konzept des absoluten Raumes und der absoluten Zeit löst. Sie macht aber das, was bei Wells zehn Jahre vorher noch reine Fiktion war, zu einem für die Physik diskussionswürdigen Thema, nämlich das „Problem der Zeitreisen“. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (1905) erlaubt durch den von ihr vorhergesagten Effekt der Zeitdilatation „Reisen in die Zukunft“, und die Einstein’sche Gravitationstheorie lässt geschlossene zeitartige Linien als Lösungen ihrer Gleichungen zu (z. B. Gödel-Kosmos, Anti-de-Sitter-Kosmos). Allerdings würde eine Reise auf einer Zeitschleife sofort ein ganzes Bündel von Paradoxien (z. B. Großvater-Paradoxon, Informationsparadoxon) und semantischen Inkonsistenzen nach sich ziehen. Obwohl erstaunlicherweise die fundamentalen Gesetze der Physik (abgesehen von extrem seltenen und makroskopisch nicht in Erscheinung tretenden quantenmechanischen Effekten) bei einer Zeitumkehr nicht verletzt würden, scheint es in der Natur doch ein grundsätzliches Verbot von Vergangenheitsreisen zu geben. Der Physiker Dieter Zeh, dessen Position im Schlusskapitel der Arbeit näher beleuchtet wird, vertritt die Auffassung, dass die Science-Fiction-Literatur zum Thema „Zeitreisen“ überwiegend auf einfachen begrifflichen Fehlern beruhe. Die in Anlehnung an die Allgemeine Relativitätstheorie konstruierten Vorgänge seien bestenfalls genauso „theoretisch möglich“ wie ein Gas, das sich von selbst in einer Ecke des Gefäßes versammelt. Die vorliegende Arbeit erörtert Ansätze für „Zeitmaschinen“ und superluminale Prozesse, die in Einklang mit der modernen Physik stehen. Besprochen werden u. a. die Tachyonen-Hypothese, Tiplers rotierender Zylinder, der Gödel-Kosmos, der Anti-de-Sitter-Kosmos, die sogenannten „Wurmlöcher“ und die Alcubierre-Metrik. Zugleich sollen Ansätze vorgestellt werden (z. B. Eternalismus, Viele-Welten-Modell, Prinzip der konsistenten Geschichte), die Lösungsversuche für die Paradoxien von Vergangenheitsreisen bieten. Um die Reisen in die Vergangenheit und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit scheint es zu stehen wie mit einer Anfrage an Radio Jerewan; die Antwort lautet stets: „Im Prinzip ja, aber …“ Doch die Faszination dieser Idee wird weiterhin Stoff für die „Fiction“ liefern. / Time travel and superluminal travel are two of mankind's dreams. They inspire our imagination and provide material for bizarre stories. A work on the subject of time travel and superluminal travel forces us to re-examine our concept of "time". The complexity and the contradictory nature this subject makes it difficult to be more precise about "time". On its deepest subjective side, time is a means of perception, a biological rhythm, a social phenomenon in terms of our collective understanding of time. But it is also a physical parameter. Einstein's Theory of Relativity revolutionised our idea of space and time by freeing us from the Newtonian concept of absolute space and absolute time. The "problem of time travel", a subject that Wells wrote about just ten years before as mere fiction, was now a discussion worthy of physics. Einstein's Special Theory of Relativity (1905), by predicting the effects of time dilation, allowed for "travels into the future" and Einstein's Theory of Gravity used closed time-like lines for solutions to calculations about time travel (for example, the Gödel Universe and the Anti-de Sitter Universe). However, a trip to a time warp would immediately involve a whole set of paradoxes (for example, the grandfather paradox and the information paradox) and semantic inconsistencies. Surprisingly, the fundamental laws of physics (apart from extremely rare and non-emergent macroscopic quantum mechanical effects) are not violated by the concept of time reversal. Yet, in nature, there still seems to be a fundamental prohibition against time travel to the past. Physicist Dieter Zeh, whose position is more closely presented in the final chapter of this work, supports the view that science fiction literature on the subject of "time travel" is overwhelmingly based on simple conceptual errors. The processes used in this literature, which are based on the General Theory of Relativity, at best, are just as "theoretically possible" as a gas which gathers itself into the corner of a container. This work discusses approaches for "time machines" and superluminal travel which are consistent with modern physics. Some of the discussions that will be presented are the tachyon hypothesis, Tipler's rotating cylinder, the Gödel Universe, the Anti-de Sitter Universe, so-called "wormholes" and the Alcubierre-metric. At the same time, approaches will be presented (for example, Eternalism, the Many-Worlds Interpretation and the Consistent Histories Approach) that will provide attempts to find a solution for paradoxes regarding time travel to the past. Questions about time travel to the past and superluminal travel are like the questions asked on Radio Yerevan. The answer is always, "In principle yes, but…" But the fascination about time travel will continue to provide material for "fiction".