Akustische Tomographie zur zeitgleichen Erfassung von Temperatur- und Strömungsfeldern

Die akustische Tomographie ist ein Verfahren, welches die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft von den meteorologischen Größen Temperatur und Strömung entlang des Ausbreitungsweges nutzt, um aus Messungen der Laufzeit akustischer Signale bei bekannten Positionen der Sender und Empfänger auf die genannten meteorologischen Größen zu schließen. Thema der vorliegenden Arbeit ist die Erweiterung und Optimierung eines solchen akustisch tomographischen Verfahrens zur gleichzeitigen Bestimmung von Verteilungen der Temperatur und der Strömung bei gleicher räumlicher Auflösung sowie dessen Anwendung in Messgebieten mit einer Ausdehnung von wenigen Quadratmetern. Hierfür wurde zunächst ein bestehendes System zur akustischen Laufzeittomographie um einen Algorithmus zur tomographischen Rekonstruktion von vektoriellen Strömungsfeldern erweitert. Auf diese Weise konnte eine Angleichung der Anzahl aufgelöster Strömungsdaten innerhalb einer Messfläche an die Anzahl der ebenfalls tomographisch ermittelten Temperaturwerte erreicht werden. Anhand von Sensitivitätsstudien mit vorgegebenen Verteilungen der meteorologischen Größen in einem Gebiet wurde die Rekonstruktionsgenauigkeit des tomographischen Algorithmus analysiert. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass für eine verlässliche Rekonstruktion des vektoriellen Strömungsfeldes eine gleichmäßige Anordnung der akustischen Sensoren um das gesamte Untersuchungsgebiet zwingend erforderlich ist. Des Weiteren wurde das System hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in Messgebieten mit einer räumlichen Ausdehnung ab wenigen Quadratmetern optimiert, ohne Einbußen bei der Genauigkeit der Temperatur- und Strömungsbestimmung verzeichnen zu müssen. Die damit verbundenen höheren Anforderungen an die Genauigkeit, insbesondere der Laufzeitbestimmung, konnten durch eine Anpassung der Hardware sowie den Einsatz spezieller breitbandiger Signale (Maximallängenfolgen) und die Anwendung von Interpolationstechniken erreicht werden. Anhand zweier Messbeispiele wird das Potential des erweiterten und optimierten Systems zur Untersuchung der Homogenität von Messflächen und zur Detektion der räumlichen Variabilität thermisch induzierter Temperatur- und Strömungsmuster demon- striert