TY - THES A1 - Bergner, André T1 - Synchronization in complex systems with multiple time scales T1 - Synchronisation in komplexen Systemen mit mehreren Zeitskalen N2 - In the present work synchronization phenomena in complex dynamical systems exhibiting multiple time scales have been analyzed. Multiple time scales can be active in different manners. Three different systems have been analyzed with different methods from data analysis. The first system studied is a large heterogenous network of bursting neurons, that is a system with two predominant time scales, the fast firing of action potentials (spikes) and the burst of repetitive spikes followed by a quiescent phase. This system has been integrated numerically and analyzed with methods based on recurrence in phase space. An interesting result are the different transitions to synchrony found in the two distinct time scales. Moreover, an anomalous synchronization effect can be observed in the fast time scale, i.e. there is range of the coupling strength where desynchronization occurs. The second system analyzed, numerically as well as experimentally, is a pair of coupled CO₂ lasers in a chaotic bursting regime. This system is interesting due to its similarity with epidemic models. We explain the bursts by different time scales generated from unstable periodic orbits embedded in the chaotic attractor and perform a synchronization analysis of these different orbits utilizing the continuous wavelet transform. We find a diverse route to synchrony of these different observed time scales. The last system studied is a small network motif of limit cycle oscillators. Precisely, we have studied a hub motif, which serves as elementary building block for scale-free networks, a type of network found in many real world applications. These hubs are of special importance for communication and information transfer in complex networks. Here, a detailed study on the mechanism of synchronization in oscillatory networks with a broad frequency distribution has been carried out. In particular, we find a remote synchronization of nodes in the network which are not directly coupled. We also explain the responsible mechanism and its limitations and constraints. Further we derive an analytic expression for it and show that information transmission in pure phase oscillators, such as the Kuramoto type, is limited. In addition to the numerical and analytic analysis an experiment consisting of electrical circuits has been designed. The obtained results confirm the former findings. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden Synchronisationsphänomene in komplexen Systemen mit mehreren Zeitskalen untersucht. Es gibt mehrere Möglichkeiten wie diese verschiedenen Zeitskalen vorkommen können. Drei verschiedene Systeme, jedes mit einer anderen Art von zeitlicher Multiskalität, wurden mit unterschiedlichen Methoden der Datenanalyse untersucht. Das erste untersuchte System ist ein ausgedehntes heterogenes Netzwerk von Neuronen mit zwei dominanten Zeitskalen, zum einen die schnelle Folge von Aktionspotenzialen und zum anderen einer abwechselnden Folge von einer Phase von Aktionspotenzialen und einer Ruhephase. Dieses System wurde numerisch integriert und mit Methoden der Phasenraumrekurrenz untersucht. Ein interessantes Ergebnis ist der unterschiedliche Übergang zur Synchronisation der Neuronen auf den beiden verschiedenen Zeitskalen. Des weiteren kann auf der schnellen Zeitskala eine anomale Synchronisation beobachtet werden, d.h. es gibt einen Bereich der Kopplungsstärke in dem es zu einer Desynchronisation kommt. Als zweites wurde, sowohl numerisch als auch experimentell, ein System von gekoppelten CO₂ Lasern untersucht, welche in einem chaotischen bursting Modus arbeiten. Dieses System ist auch durch seine Äquivalenz zu Epidemiemodellen interessant. Wir erklären die Bursts durch unterschiedliche Zeitskalen, welche durch in den chaotischen Attraktor eingebettete instabile periodische Orbits generiert werden. Wir führen eine Synchronisationsanalyse mit Hilfe der kontinuierlichen Wavelettransformation durch und finden einen unterschiedlichen Übergang zur Synchronisation auf den unterschiedlichen Zeitskalen. Das dritte analysierte System ist ein Netzwerkmotiv von Grenzzyklusoszillatoren. Genauer handelt es sich um ein Nabenmotiv, welches einen elementaren Grundbaustein von skalenfreien Netzwerken darstellt, das sind Netzwerke die eine bedeutende Rolle in vielen realen Anwendungen spielen. Diese Naben sind von besonderer Bedeutung für die Kommunikation und den Informationstransport in komplexen Netzwerken. Hierbei wurde eine detaillierte Untersuchung des Synchronisationsmechanismus in oszillatorischen Netzwerken mit einer breiten Frequenzverteilung durchgeführt. Insbesondere beobachten wir eine Fernsynchronisation von Netzwerkknoten, die nur indirekt über andere Oszillatoren miteinander gekoppelt sind. Wir erklären den zu Grunde liegenden Mechanismus und zeigen dessen Grenzen und Bedingungen auf. Des weiteren leiten wir einen analytischen Ausdruck für den Mechanismus her und zeigen, dass eine Informationsübertragung in reinen Phasenoszillatoren, wie beispielsweise vom Kuramototyp, eingeschränkt ist. Diese Ergebnisse konnten wir durch Experimente mit elektrischen Schaltkreisen bestätigen. KW - Komplexe Systeme KW - Synchronisation KW - Nichtlineare Dynamik KW - Datenanalyse KW - complex systems KW - synchronization KW - nonlinear dynamics KW - data analysis Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53407 ER - TY - JOUR A1 - Bergner, Andre A1 - Frasca, M. A1 - Sciuto, G. A1 - Buscarino, A. A1 - Ngamga, Eulalie Joelle A1 - Fortuna, L. A1 - Kurths, Jürgen T1 - Remote synchronization in star networks JF - Physical review : E, Statistical, nonlinear and soft matter physics N2 - We study phase synchronization in a network motif with a starlike structure in which the central node's (the hub's) frequency is strongly detuned against the other peripheral nodes. We find numerically and experimentally a regime of remote synchronization (RS), where the peripheral nodes form a phase synchronized cluster, while the hub remains free with its own dynamics and serves just as a transmitter for the other nodes. We explain the mechanism for this RS by the existence of a free amplitude and also show that systems with a fixed or constant amplitude, such as the classic Kuramoto phase oscillator, are not able to generate this phenomenon. Further, we derive an analytic expression which supports our explanation of the mechanism. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1103/PhysRevE.85.026208 SN - 1539-3755 VL - 85 IS - 2 PB - American Physical Society CY - College Park ER - TY - JOUR A1 - Frasca, Mattia A1 - Bergner, Andre A1 - Kurths, Jürgen A1 - Fortuna, Luigi T1 - Bifurcations in a star-like network of Stuart-Landau oscillators JF - International journal of bifurcation and chaos : in applied sciences and engineering N2 - In this paper, we analytically study a star motif of Stuart-Landau oscillators, derive the bifurcation diagram and discuss the different forms of synchronization arising in such a system. Despite the parameter mismatch between the central node and the peripheral ones, an analytical approach independent of the number of units in the system has been proposed. The approach allows to calculate the separatrices between the regions with distinct dynamical behavior and to determine the nature of the different transitions to synchronization appearing in the system. The theoretical analysis is supported by numerical results. KW - Complex networks KW - synchronization KW - bifurcations Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1142/S0218127412501738 SN - 0218-1274 VL - 22 IS - 7 PB - World Scientific CY - Singapore ER - TY - JOUR A1 - Stefanakis, Nikolaos A1 - Abel, Markus A1 - Bergner, Andre T1 - Sound Synthesis Based on Ordinary Differential Equations JF - Computer music journal N2 - Ordinary differential equations (ODEs) have been studied for centuries as a means to model complex dynamical processes from the real world. Nevertheless, their application to sound synthesis has not yet been fully exploited. In this article we present a systematic approach to sound synthesis based on first-order complex and real ODEs. Using simple time-dependent and nonlinear terms, we illustrate the mapping between ODE coefficients and physically meaningful control parameters such as pitch, pitch bend, decay rate, and attack time. We reveal the connection between nonlinear coupling terms and frequency modulation, and we discuss the implications of this scheme in connection with nonlinear synthesis. The ability to excite a first-order complex ODE with an external input signal is also examined; stochastic or impulsive signals that are physically or synthetically produced can be presented as input to the system, offering additional synthesis possibilities, such as those found in excitation/filter synthesis and filter-based modal synthesis. Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1162/COMJ_a_00314 SN - 0148-9267 SN - 1531-5169 VL - 39 IS - 3 SP - 46 EP - 58 PB - MIT Press CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Wegener, Michael A1 - Gerhard, Reimund A1 - Wirges, Werner A1 - Bergner, André A1 - Bergweiler, Steffen T1 - Breathing modes of organ-pipe bodies : experimental detection with ring-shaped piezoelectric-polymer sensors Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Bergweiler, Steffen A1 - Bergner, André A1 - Görne, Thomas A1 - Wegener, Michael A1 - Gerhard, Reimund T1 - Breathing modes and sound radiation of metallic organ pipes Y1 - 2003 ER -