Mesure de la constante de Boltzmann par procédé acoustique en cavité, étude du couplage fluide/structure par mesures acoustiques et électromagnétiques en mélange gazeux

La communauté scientifique internationale cherche depuis quelques années à définir le kelvin à partir d’une constante fondamentale dont la valeur numérique serait figée. Pour que l’unité de température fasse l’objet d’un telle redéfinition, cette constante, la constante de Boltzmann k, devra être connue avec une incertitude relative inférieure à 10−6. La méthode choisie ici pour la détermination de k repose sur la mesure des fréquences de résonance acoustiques d’un gaz pur en cavité quasi sphérique. Le niveau de précision accessible actuellement grâce aux techniques de mesures mises en oeuvre ici impose une précision du même ordre pour la modélisation acoustique associée à cette expérience. Les modèles analytiques étudiés doivent ainsi tenir compte des effets couplés de diverses sources de perturbations (imperfections de sphéricité, effets visqueux et thermiques, transducteurs, discontinuités en paroi...), et des couplages intermodaux résultants. L’accent est mis ici sur la compréhension du couplage fluide/structure dont les effets, bien que significatifs, ne peuvent toujours pas être pris en compte dans les modèles analytiques avec une précision suffisante. Une méthode expérimentale reposant sur la mesure de fréquences de résonance acoustiques et électromagnétiques dans un mélange gazeux de composition variable a donc été mise au point à l’INRiM afin d’étudier la réponse de la coque à différents modes acoustiques. La variation progressive de la composition du gaz (de l’hélium à l’argon pur) permet de faire varier significativement la vitesse du son, et ainsi la fréquence de résonance de chaque mode acoustique, sur plusieurs milliers à dizaines de milliers de Hertz. Les premiers résultats expérimentaux ont permis d’identifier des modes de résonance de la coque susceptibles de perturber fortement la détermination de k. Par-delà, une telle étude présente également un intérêt pour la mesure des propriétés physiques de mélanges gazeux par méthodes acoustiques et électromagnétiques

A microwave resonance dew-point hygrometer

We report the first measurements of a quasi-spherical microwave resonator used as a dew-point hygrometer. In conventional dew-point hygrometers, the condensation of water from humid gas flowing over a mirror is detected optically, and the mirror surface is then temperature-controlled to yield a stable condensed layer. In our experiments we flowed moist air from a humidity generator through a quasi-spherical resonator and detected the onset of condensation by measuring the frequency ratio of selected microwave modes. We verified the basic operation of the device over the dew-point range 9.5–13.5 ◦C by comparison with calibrated chilled-mirror hygrometers. These tests indicate that the microwave method may allow a quantitative estimation of the volume and thickness of the water layer which is condensed on the inner surface of the resonator. The experiments reported here are preliminary due to the limited time available for the work, but show the potential of the method for detecting not only water but a variety of other liquid or solid condensates. The robust all-metal construction should make the device appropriate for use in industrial applications over a wide range of temperatures and pressures