Wenn Sie einen konkreten Vorschlag für das Thema Ihrer Studien-, Bachelor-, Projekt- oder Master-Arbeit haben, können Sie gern mit mir Kontakt aufnehmen. Eine Reihe an Themenvorschlägen finden Sie in diesem OLAT-Kurs.
Unter den folgenden Überschriften finden Sie Beispiele aus studentischen Arbeiten der vergangenen Semester.
Manche der hier vorgestellten Themen können aufbauend auf den erhaltenen Ergebnissen fortgesetzt werden.
Die Pfeifen-Orgel ist ein über zweitausend Jahre altes Musikinstrument. Im Vergleich zu anderen Instrumenten besitzt sie u.a. die Besonderheit, das Töne beliebig lang gehalten werden können. Dies erleichtert die Analyse der Klänge ihrer einzelnen Stimmen - genannt Register - da man über mehrere Sekunden den stationären Klang aufnehmen und zur anschließenden Auswertung zeitlich mitteln kann.
In dieser Arbeit wurden mehrere hundert Klangspektren einer Fourier-Analyse unterzogen und daraus mehrere tausend Schall-Pegel gemessen. Anschließend daran wurden die Einhüllenden-Funktionen der Klangspektren aus dem Modell berechnet. Ein Beispiel für das Register "Trompete" zeigen die nachstehenden Abbildungen.
| links: Modellierung des harmonischen Anteils (blaue Peaks) des gemessenen Spektrums (offene Symbole) für den Ton C3 des Registers "Trompete". | rechts: Berechnete Einhüllkurven aller harmonischen Spektren der Töne C0 bis C9. Da der Tonmumfangs von neun Oktaven den des gemessenen Registers überschreitet, wurde teilweise extrapoliert. |
Die Nachhallzeit eines Raumes hängt im Allgemeinen nach der Sabineschen Gleichung von den frequenzabhängigen Schallabsorptionsgraden der jeweiligen Wandflächen ab. Mittlere Absorptionsgrade verschiedener in Räumen verwendeter Materialien wurden der Literatur entnommen und eine Datenbank angelegt. Die frequenzabhängigen Absorptionsgrade wurden mathematisch modelliert, um zwischen den Messwerten sowohl interpolieren zu können als auch Vorhersagen für sehr tiefe und sehr hohe Frequenzen zu erhalten. Mit Hilfe dieser Werte wurde versucht, die gemessenen, frequenzabhängigen Nachhallzeiten der Guildhall Council Chamber (York, UK) nachzubilden. Hierzu wurde die Summe der Residuen-Quadrate minimiert und daraus die akustisch wirksamen Wandflächen näherungsweise erhalten.
Die Guildhall Council Chamber in York (UK), Quelle der Abb. und der gemessenen, frequenzabhängigen Nachhallzeit: "Open Air Library", https://www.openair.hosted.york.ac.uk/
Im Jahre 1944 sagte H. van de Hulst (damals noch Student!) voraus, dass neutrale Wasserstoff-Atome elektromagnetische Strahlung im Radiowellenbereich emittieren müssten. Dieses Signal wurde 1951 mit den damals noch vergleichsweise primitiven Radio-Teleskopen tatsächlich nachgewiesen. Das Besondere dieser Strahlung mit der Frequenz 1,42 GHz ist, dass Sie von Wasserstoff-Atomen stammt, die im fast leeren Raum zwischen den Sternen lokalisiert sind. Man erhält durch die Messung dieses Signals also Information über den Raum zwischen den Sternen (deshalb: interstellar), also von einem Gebiet, in welchem man mit normalen Teleskopen (fast) nichts beobachten kann.
In dieser Arbeit konnte ein Parabol-Spiegel von 2 m Durchmesser, der mir freundlicherweise von der Amateurfunkgruppe der Hochschule Koblenz zur Verfügung gestellt wurde, verwendet werden. Für diese Geometrie wurde ein Empfangshorn konstruiert, das die erste Frequenzfilterung vornimmt. Über einen Vorverstärker und ein SDR-Modul konnte schließlich im Bereich der gesuchten Frequenz gemessen werden.
Da das Signal der Wasserstoff-Emission ausgesprochen schwach ist, gelang es erst durch Summierung über mehrere Minuten, das kosmische Signal sicher nachzuweisen. An dem Aufbau sind noch zahlreiche Verbesserungen möglich. Zudem könnte der Parabol-Spiegel auf einer drehbaren Nachführung auf dem Dach der Hochschule montiert werden.
Das Rheinische Schiefergebirge besteht hauptsächlich aus Ton- und Siltschiefern, die nicht verkarstungsfähig sind. Umso überraschender ist es, nahe Koblenz geologische Erscheinungen (ein versickernder Bach und vier durch Erdfälle entstandene Bodensenken) vorzufinden, die geomorphologisch gesehen echten Karstphänomenen ähneln, jedoch nicht als solche bezeichnet werden dürfen.
Aus Untersuchungen im geologisch vergleichbaren Bergischen Land und dem Westerwald ist einerseits bekannt, dass Oberflächenwasser in die oberflächlich anstehende Lehmschicht eindringen kann und dort Tunnel ausspült (Tunnel-Erosion), andererseits können die Gesteine des Devons Grundwasser hauptsächlich entlang von Klüften leiten, die wiederum entlang der variskischen Haupt- und Querstörungen orientiert sind.
Die Bachschwinde im Untersuchungsgebiet (s. Abb.) verdeutlicht, wie Oberflächenwasser in den Grundwasserkörper der anstehenden geschieferten Schichten eindringt. Selbst bei den starken Regenfällen Mitte Juli 2021, die andernorts zu verheerenden Überschwemmungen führten, konnte die Bachschwinde das gesamte einfließende Wasser aufnehmen und in den Grundwasserkörper ableiten. Der lokale Grundwasserspiegel steigt dann an und fällt eine der vier Erdsenken mit tontrübem Wasser.
Wäre das Oberflächenwasser durch Giftstoffe verschmutzt gewesen, wären diese direkt ins Grundwasser gelangt. Dies sollte uns ermahnen, unsere Gewässer sauber zu halten, denn - wie hier exemplarisch dokumentiert - kann das Grundwasser, d.h. die Grundlage unseres Trinkwassers, durch Eintrag belasteten Oberflächenwassers schnell verschmutzt werden.
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| Die Bachschwinde von außen ... | ... und von innnen (aufgenommen mit einem Endoskop). |
Mangels Interesse seitens der Studierenden, dafür jedoch mit technischer Unterstützung der Herren M. Ramler und Prof. Dr. J. Quarg-Vonscheidt sowie Herrn Prof. Dr. J. Stolz habe ich viele Messungen und Auswertungen selbst durchgeführt, wofür sich das niederschlagsreiche Sommerhalbjahr 2021 ideal eignete. Mit tatkräftiger Unterstützung durch Herrn M. Kimmel, B. Sc. konnte die Studie vor Ort ergänzt und dseren Ergebnisse in einem Sonderband der Fachzeitschrift "Grundwasser" [1] veröffentlicht werden.
[1] F. Hergert, M. Kimmel: Bildung von Senkungsmulden in Lösslehm durch subterrane Erosion. Grundwasser 27(3) (2022) 213-218
Mit der Nebelkammer gelang es dem Physiker C.T.R. Wilson im Jahr 1911, die Spuren geladener Teilchen in wasserdampfgesättigter Luft nachzuweisen und somit die Teilchen der kosmischen Strahung und der radioaktiven Zerfälle zu beobachten. Hierfür wurde ihm 1927 der Nobel-Preis verliehen. Eine entscheidende Verbesserung gelang A. Langsdorf im Jahre 1936 durch die Erzeugung einer Schicht, die kontinuierlich mit Alkohol übersättigt war.
Beim Nachbau der kontinuierlichen Diffusionsnebelkammer nach Langsdorf muss ein Kompromiss mehrerer schwierig zu vereinbarenden Bedingungen gefunden werden. Die Schwerpunkte dieser Arbeit lagen einerseits in der rechnerischen Abschätzung der Wärmeverluste durch Wärmeleitung, der elektrischen Leistungen zum Betrieb der letztendlich realisierten dreistufigen Kühlung. Daneben wurde die Konstruktion aller Teile der Kammer durchgeführt und viele der Komponenten mit dem 3D-Drucker hergestellt und speziell abgedichtet. Theoretischen Rechnungen der Dicke der übersättigten Schicht (ursprünglich von Langsdorf, erweitert in den 1950er-Jahren) konnten mit Messungen an der Kammer prinizipiell bestätigt werden. Die beobachteten Teilchenspuren wurden durch Vergleich mit historischen Arbeiten identifiziert.
Die Foto-Serie zeigt ein alpha-Teilchen, das sich im Bildausschnitt von links nach rechts bewegt und entlang seiner Flugbahn Kondensation in der mit Alkohol übersättigten Atmosphäre auslöst. Die anfänglich scharf begrenzte Nebelspur wird durch Konvektion in der Kammer diffus und durch Absinken der Tröpfchen auf den Kammer-Boden nach etwa ein bis zwei Sekunden schließlich "gelöscht". Die Animation ist in Zeitlupe wiedergegeben; die Breite des Bildes beträgt ca. 2 cm.