Self-normalized photoacoustic techniques for thermal diffusivity measurements in metals

J. A. Balderas-López

Departamento de Matemáticas, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología del IPN, Avenida Acueducto S/N, Col. Barrio la Laguna, Del. Gustavo A. Madero, C. P. 07340, México, D. F. México, e-mail: abrahambalderas@hotmail.com and abalderas@acei.upibi.ipn.mx.

Recibido el 21 de julio de 2002. ]]> Aceptado el 14 de agosto de 2003.

Abstract

The analytical solution for the one-dimensional heat diffusion problem involving an harmonic heat source in a single layer, in the surface absorption limit, is used to provide self-normalized methodologies for thermal diffusivity measurements in metals, by using the photoacoustic technique. The self-normalized procedure involves the photoacoustic phase lag between the rear and front configurations. Three methodologies are described. Two of them involving linear fits in the photoacoustic thermally thin and thermally thick regimes. Comparison between the theoretical normalized equations and the corresponding normalized experimental data allows for the development of criteria on the selection of an appropriate modulation frequency range where a reliable analysis can be done. Computer simulations and thermal diffusivity values measured for some materials are also provided. The values of thermal diffusivity for each material, obtained by using the different reported methodologies, were found to be close to each other, showing self-consistency between the different methodologies described in this paper.

Keywords: Photoacoustic techniques; thermal diffusivity; metals.

Resumen

Se utiliza la solución analítica para el problema de difusión de calor en una dimension, asumiendo una fuente de calor armónica en una capa, en el límite de absorción superficial, para el desarrollo de metodologías fotoacústicas normalizadas para medir difusividad térmica en metales. El procedimiento de autonormalización involucra el retardo en la fase fotoacústica entre las configuraciones trasera y delantera. Se describen tres metodologías: dos de las cuales involucran ajustes lineales en los regímenes fotoacústicos térmicamente grueso y térmicamente fino. La correspondencia directa entre las ecuaciones teóricas y los datos experimentales permiten el desarrollo de criterios para la selección de los intervalos de frecuencia de modulación apropiados donde un análisis confiable puede llevarse a cabo. Se provee también con simulaciones por computadora y valores de difusividad térmica medidos para algunos materiales. Los valores de difusividad térmica, medidos utilizando las diferentes metodologías reportadas, se encontraron muy cercanos unos con otros, mostrando auto consistencia entre las diferentes metodologías reportadas en este artículo.

Descriptores: Técnicas fotoacústicas; difusividad térmica; metales.

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