Effect of the absorption coefficient of aluminium plates on their thermoelastic bending in photoacoustic experiments

Abstract

International audienceThe open-cell photoacoustic signal measured in the transmission configuration for aluminum thin plates with thicknesses of 280 lm, 197 lm, and 112 lm is experimentally and theoretically analyzed, in the 20 Hz–7 kHz modulation frequency range. It is shown that the observed differences between the predictions of the standard thermoelastic model and the experiment data of both the amplitude and phase of the photoacoustic signal can be overcome by considering the aluminum samples coated with a thin layer of black paint as volume-absorber materials. This new approach provides a quite good agreement with the obtained experimental data, in the whole frequency range, and yields an effective absorption coefficient of (16 6 2) mm À1 , for a 280 lm-thick sample. The introduction of the finite absorption coefficient led to the correct ratio between the thermal diffusion and thermoelastic components of the photoacoustic signal. Furthermore, it is found that the " volume-absorber " approach accurately describes the behavior of the amplitude, but not that of the phase recorded for a 112 lm-thick sample, due to its relatively strong thermoelastic bending, which is not considered by this theory. Within the approximation of the small bending, the proposed " volume-absorber " model provides a reliable description of the photoacoustic signal for Al samples thicker than 112 lm, and extends the applicability of the classical " opaque " approach

Акустические Колебания Алюминиевых Мембран При Лазерном Возбуждении По Термоупругому Механизму

“…В последнее время большое внимание уделяется изучению особенностей проявления ФА-эффекта в различных мембранных и балочных структурах. Такие исследования выполнены для мембран и балок из полупроводниковых материалов [1,2], графена [3], металлов [4,5]. Для случая полупроводниковых материалов было показано, что учет особенностей процессов генерации и распространения носителей заряда лазерным излучением позволяет достаточно хорошо описать колебания таких мембран, возбуждаемых лазерным излучением по термоупругому механизму.…”

“…В работе [5] были выполнены эксперименты на алюминиевых мембранах с толщинами от 112 до 280 µm. Акустические колебания мембран радиусом 4 mm возбуждались при равномерной засветке их поверхности излучением лазерного диода с длиной волны 660 nm, модулированным во времени в диапазоне частот от 20 Hz до 7 kHz.…”

“…При этом считалось, что ФА-сигнал в ячейке возбуждается как за счет обычного теплового механизма, так и за счет изгиба мембраны. Для согласования экспериментальных и теоретических результатов в работе [5] потребовалось считать, что генерация тепловых волн в мембране носит объемный характер с эффективным коэффициентом поглощения лазерного излучения около 20 mm −1 , который соответствует глубине проникновения излучения в алюминий около 50 µm. На наш взгляд, столь глубокое проникновение лазерного излучения в алюминиевую мембрану представляется маловероятным.…”

“…На наш взгляд, столь глубокое проникновение лазерного излучения в алюминиевую мембрану представляется маловероятным. В связи с этим целью настоящей работы является объяснение полученных в работе [5] результатов с учетом чисто поверхностного характера генерации тепловых волн на основе предложенной нами теоретической модели термоупругости металлов [6][7][8].…”

“…При анализе экспериментальных результатов работы [5] следует учесть, что они были выполнены при низких частотах. Поэтому для расчета колебаний мембран можно воспользоваться квазистатическим приближением.…”