Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas instrumentações baseadas em efeitos fototérmicos para o estudo de interfaces sólido-líquido e líquido-gás, incluindo no último caso o efeito de surfactantes. O trabalho está dividido em capítulos, cada um enfocando o desenvolvimento e/ou aplicação de uma nova técnica. O Capítulo I apresenta uma introdução aos fenômenos fototérmicos e desecreve a construção de instrumentos clássicos de Lente Térmica (LT) nas configurações de simples e duplo feixe. Interfaces sólido-líquido foram estudadas nos capítulos II-IV usando variações da instrumentação clássica de LT. Um novo sinal fototérmico foi caracterizado, indicando a formação de uma lente térmica invertida na interface. Experimentos de varredura-z na configuração por reflexão foram usados para determinar a mudança no índice de refração da interface próximo ao ângulo crítico, e uma metodologia similar foi utilizada para a medida da difusividade térmica de amostras opacas. Nos capítulos V-VII, a deformação de superfícies líquidas foi estudada pelo efeito Marangoni induzido por laser e pela geração de ondas capilares. A transferência de calor pela interface líquido-gás foi monitorada por Deflexão Fototérmica Transversal. Em todos os casos, a influência de surfactantes foi estudada pela formação de uma monocamada na superfície dos líquidos. Observou-se que uma pequena quantidade de surfactante é capaz de cessar a movimentação de líquidos induzida por gradientes de tensão superficial e aumentar significativamente a transferência de calor pela interface. Os resultados indicam uma correlação entre as transições de fase das monocamadas e a atenuação da deformação superficial bem como o aumento na transferência de calor. Finalmente, o capítulo VIII apresenta uma coleção de trabalhos que derivaram dos estudos relacionados com as instrumentações desenvolvidas. / This work presents the development of new instrumentations based on photothermal phenomena to study solid-liquid and liquid-gas interfaces, including in the latter the effect of surfactants. The work is divided into chapters, each one focusing on the development and/or application of a new technique. Chapter I presents an introduction to photothermal phenomena and describes the construction of classical Thermal Lens (TL) instruments in the single and double-beam configurations. Solid-liquid interfaces were studied in chapters II-IV using variations of the classical TL instrumentation. A new photothermal signal was characterized, indicating the formation of an inverted thermal lens at the interface. Z-scan experiments in the reflection configuration were used to determine the change in the refractive index of an interface close to the critical angle, and a similar methodolody was used to measure the thermal diffusivity of opaque samples. In Chapters V-VII, the deformation of liquid surfaces was studied by laser-induced Marangoni effect and the generation of capillary waves. Heat transfer through the liquid-gas interface was monitored by Transverse Photothermal Deflection. In all cases, the influence of surfactants was studied by forming a monolayer on the surface of the liquids. It was observed that a tiny amount of surfactants was able to cease the motion of liquid induced by surface tension gradients and to increase significantly the heat transfer through the interface. The results indicate a correlation between phase transitions of the monolayers and the attenuation of the surface deformation as well as the increase in the heat transfer. Finally, chapter VIII is a collection of other works that derived from the studies related to the instrumentations developed.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novas instrumentações baseadas em efeitos fototérmicos para o estudo de interfaces sólido-líquido e líquido-gás, incluindo no último caso o efeito de surfactantes. O trabalho está dividido em capítulos, cada um enfocando o desenvolvimento e/ou aplicação de uma nova técnica. O Capítulo I apresenta uma introdução aos fenômenos fototérmicos e desecreve a construção de instrumentos clássicos de Lente Térmica (LT) nas configurações de simples e duplo feixe. Interfaces sólido-líquido foram estudadas nos capítulos II-IV usando variações da instrumentação clássica de LT. Um novo sinal fototérmico foi caracterizado, indicando a formação de uma lente térmica invertida na interface. Experimentos de varredura-z na configuração por reflexão foram usados para determinar a mudança no índice de refração da interface próximo ao ângulo crítico, e uma metodologia similar foi utilizada para a medida da difusividade térmica de amostras opacas. Nos capítulos V-VII, a deformação de superfícies líquidas foi estudada pelo efeito Marangoni induzido por laser e pela geração de ondas capilares. A transferência de calor pela interface líquido-gás foi monitorada por Deflexão Fototérmica Transversal. Em todos os casos, a influência de surfactantes foi estudada pela formação de uma monocamada na superfície dos líquidos. Observou-se que uma pequena quantidade de surfactante é capaz de cessar a movimentação de líquidos induzida por gradientes de tensão superficial e aumentar significativamente a transferência de calor pela interface. Os resultados indicam uma correlação entre as transições de fase das monocamadas e a atenuação da deformação superficial bem como o aumento na transferência de calor. Finalmente, o capítulo VIII apresenta uma coleção de trabalhos que derivaram dos estudos relacionados com as instrumentações desenvolvidas. / This work presents the development of new instrumentations based on photothermal phenomena to study solid-liquid and liquid-gas interfaces, including in the latter the effect of surfactants. The work is divided into chapters, each one focusing on the development and/or application of a new technique. Chapter I presents an introduction to photothermal phenomena and describes the construction of classical Thermal Lens (TL) instruments in the single and double-beam configurations. Solid-liquid interfaces were studied in chapters II-IV using variations of the classical TL instrumentation. A new photothermal signal was characterized, indicating the formation of an inverted thermal lens at the interface. Z-scan experiments in the reflection configuration were used to determine the change in the refractive index of an interface close to the critical angle, and a similar methodolody was used to measure the thermal diffusivity of opaque samples. In Chapters V-VII, the deformation of liquid surfaces was studied by laser-induced Marangoni effect and the generation of capillary waves. Heat transfer through the liquid-gas interface was monitored by Transverse Photothermal Deflection. In all cases, the influence of surfactants was studied by forming a monolayer on the surface of the liquids. It was observed that a tiny amount of surfactants was able to cease the motion of liquid induced by surface tension gradients and to increase significantly the heat transfer through the interface. The results indicate a correlation between phase transitions of the monolayers and the attenuation of the surface deformation as well as the increase in the heat transfer. Finally, chapter VIII is a collection of other works that derived from the studies related to the instrumentations developed.

The Clement Ader Institute of Albi and the von Karman Institute follow<p>since numerous years works about IR radiometry with the aim to do quantitative<p>thermography (true temperature measurement without contact). These works allowed<p>to explore potentiality several spectral bands :8-12µm, 3-5µm and recently the<p>0.75-1.7µm band (near IR) with the help of CCD camera (Si) or VisGaAs camera.<p>Studies done in this specific domain have underlined some perturbations emphasized<p>at high-temperature (T>800◦C). This work has to deal in details with the<p>treatment of parameters playing a role in camera measurements. The first of these<p>parameters is the emissivity, this treatment is made in another thesis. The second<p>parameter affects particularly the hot spot location and the spatial distortion. This<p>perturbation comes from convective effect present around every hot objects.The<p>purpose of this thesis is to analyze this effect and to correct it. Indeed, when a hot<p>object is in a colder surrounding media, a temperature gradient is shaped around<p>the object and thus a refractive index gradient too. This phenomena brings inevitably<p>distortions of the spatial information received by the camera. The goal of this<p>work will be to estimate and correct error made on temperature and/or distortion<p>measurement by CCD or VisGaAs camera on hot object.We chose to focus our work<p>on the convective plume created by a hot horizontal disk. This study will be done<p>with an experimental and a numerical approach. For the numerical approach, a raytracing<p>code has been developed in order to obtain numerically the displacement<p>due to the light deviation occurring in the perturbation. The input data of the code<p>is the refractive index of the hot air present around the object. This refractive index,<p>depending on the wavelength, can be found directly from the temperature thanks<p>to the Gladstone-Dale law. The temperature is given by a CFD software such as<p>FLUENT. Experimentally, we will use the Background Oriented Schlieren (BOS)<p>method in order to retrieve the displacement. We can see that the displacement can<p>reach 4 pixels in the plume (corresponding to 1mm in this case). This perturbation<p>has been studied for several spectral bands (visible, near infrared, infrared). Finally,<p>some solutions of correction are given, like using the inverse Abel Transform<p>in order to retrieve from the 2D displacement, a 3D (axisymmetric) refractive index<p>field that we will implement in the ray-tracing code and consequently predict the<p>displacement for any kind of wavelength or distance (distance between the camera<p>and the object)./L’Institut Clément Ader Albi (ICAA) et l’Institut von Karman (IVK)<p>mènent depuis un certain nombre d’années des travaux sur la radiométrie IR dans<p>le but de faire de la thermographie quantitative (mesure de température vraie sans<p>contact). Ces travaux ont permis d’explorer les potentialités de plusieurs bandes<p>spectrales :8-12µm, 3-5µm et plus récemment la bande 0,75-1,7µm (proche IR) à<p>l’aide de caméras CCD (Si) ou VisGaAs. Les travaux effectués dans ce domaine<p>spectral ont permis de mettre en évidence un certains nombre de perturbations<p>renforcées par les hautes températures (T>800◦C). Cette thèse aborde de façon détaillée<p>le traitement d’un certain nombre de grandeurs d’influence liées à la mesure<p>de différents paramètres dans le domaine du proche IR mais également étendus aux<p>domaines du visible et de l’IR. La première de ces grandeurs est l’émissivité dont le<p>traitement a déjà été abordé par d’autres études. La seconde grandeur d’influence<p>touche plus particulièrement à la localisation des points chauds sur l’objet et la distorsion<p>du champ de température apportée par les effets convectifs présents autour<p>d’un objet à haute température, elle est le coeur de cette thèse. En effet, lorsqu’une<p>pièce chaude se trouve dans un milieu ambiant beaucoup plus froid, il se crée un<p>gradient de température et donc d’indice de réfraction autour de la pièce. Or les<p>caméras travaillant dans les différentes bandes spectrales vont être plus ou moins<p>sensibles à ces variations d’indices de réfraction du fait de la dépendance de l’indice<p>optique avec la longueur d’onde et de la résolution spatiale de la caméra utilisée.<p>Ce phénomène, appelé effet mirage, entraîne inévitablement une déformation des<p>informations spatiales reçues par la caméra. Le but de cette thèse a donc été d’estimer<p>et de proposer une première approche pour corriger l’erreur faite sur la mesure<p>de température et/ou de déformation faites par caméras sur des pièces chaudes.<p>La démarche générale du travail a donc été dans un premier temps de calculer le<p>champ de température autour de l’objet considéré en se ramenant d’abord à des cas<p>simplifiés. On en a déduit alors le champ de réfraction entraînant une « déformation<p>» de l’objet, en faisant le lien entre T et n. Cette étape correspond à l’approche<p>numérique de notre étude. Cette étape numérique a été réalisé à l’aide d’un outil de<p>lancer de rayons développée à l’ICA. L’approche expérimentale a consisté à l’utilisation<p>de méthodes telle que la BOS (Background Oriented Schlieren), la PIV,<p>la srtioscopie afin de déduire le champ de déplacements provoqué par le panache<p>convectif. Ces résultats ont été comparés à la méthode numérique et ceci pour différentes<p>longueurs d’ondes. Enfin, une stratégie de correction d’images perturbées<p>a été abordé à l’aide de méthodes telles que la transformée d’Abel inverse afin de<p>remonter au champ d’indice de réfraction 2D axisymétrique à partir d’une déformation<p>plane. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tesis por compendio / [EN] Phononic crystals are artificial materials formed by a periodic arrangement of inclusions embedded into a host medium, where each of them can be solid or fluid. By controlling the geometry and the impedance contrast of its constituent materials, one can control the dispersive properties of waves, giving rise to a huge variety of interesting and fundamental phenomena in the context of wave propagation. When a propagating wave encounters a medium with different physical properties it can be transmitted and reflected in lossless media, but also absorbed if dissipation is taken into account. These fundamental phenomena have been classically explained in the context of homogeneous media, but it has been a subject of increasing interest in the context of periodic structures in recent years as well. This thesis is devoted to the study of different effects found in sonic and phononic crystals associated with transmission, reflection and absorption of waves, as well as the development of a technique for the characterization of its dispersive properties, described by the band structure. We start discussing the control of wave propagation in transmission in conservative systems. Specifically, our interest is to show how sonic crystals can modify the spatial dispersion of propagating waves leading to control the diffractive broadening of sound beams. Making use of the spatial dispersion curves extracted from the analysis of the band structure, we first predict zero and negative diffraction of waves at frequencies close to the band-edge, resulting in collimation and focusing of sound beams in and behind a 3D sonic crystal, and later demonstrate it through experimental measurements. The focusing efficiency of a 3D sonic crystal is limited due to the strong scattering inside the crystal, characteristic of the diffraction regime. To overcome this limitation we consider axisymmetric structures working in the long wavelength regime, as a gradient index lens. In this regime, the scattering is strongly reduced and, in an axisymmetric configuration, the symmetry matching with acoustic sources radiating sound beams increase its efficiency dramatically. Moreover, the homogenization theory can be used to model the structure as an effective medium with effective physical properties, allowing the study of the wave front profile in terms of refraction. We will show the model, design and characterization of an efficient focusing device based on these concepts. Consider now a periodic structure in which one of the parameters of the lattice, such as the lattice constant or the filling fraction, gradually changes along the propagation direction. Chirped crystals represent this concept and are used here to demonstrate a novel mechanism of sound wave enhancement based on a phenomenon known as "soft" reflection. The enhancement is related to a progressive slowing down of the wave as it propagates along the material, which is associated with the group velocity of the local dispersion relation at the planes of the crystal. A model based on the coupled mode theory is proposed to predict and interpret this effect. Two different phenomena are observed here when dealing with dissipation in periodic structures. On one hand, when considering the propagation of in-plane sound waves in a periodic array of absorbing layers, an anomalous decrease in the absorption, combined with a simultaneous increase of reflection and transmission at Bragg frequencies is observed, in contrast to the usual decrease of transmission, characteristic in conservative periodic systems at these frequencies. For a similar layered media, backed now by a rigid reflector, out-of-plane waves impinging the structure from a homogeneous medium will increase dramatically the interaction strength. In other words, the time delay of sound waves inside the periodic system will be considerably increased resulting in an enhanced absorption, for a broadband spectral range. / [ES] Los cristales fonónicos son materiales artificiales formados por una disposición periódica de inclusiones en un medio, pudiendo ambos ser de carácter sólido o fluido. Controlando la geometría y el contraste de impedancias entre los materiales constituyentes se pueden controlar las propiedades dispersivas de las ondas. Cuando una onda propagante se encuentra un medio con diferentes propiedades físicas puede ser transmitida y reflejada, en medios sin pérdidas, pero también absorbida, si la disipación es tenida en cuenta. La presente tesis está dedicada al estudio de diferentes efectos presentes en cristales sónicos y fonónicos relacionados con la transmisión, reflexión y absorción de ondas, así como el desarrollo de una técnica para la caracterización de sus propiedades dispersivas, descritas por la estructura de bandas. En primer lugar, se estudia el control de la propagación de ondas en transmisión en sistemas conservativos. Específicamente, nuestro interés se centra en mostrar cómo los cristales sónicos son capaces de modificar la dispersión espacial de las ondas propagantes, dando lugar al control del ensanchamiento de haces de sonido. Haciendo uso de las curvas de dispersión espacial extraídas del análisis de la estructura de bandas, se predice primero la difracción nula y negativa de ondas a frecuencias cercanas al borde de la banda, resultando en la colimación y focalización de haces acústicos en el interior y detrás de un cristal sónico 3D, y posteriormente se demuestra mediante medidas experimentales. La eficiencia de focalización de un cristal sónico 3D está limitada debido a las múltiples reflexiones existentes en el interior del cristal. Para superar esta limitación se consideran estructuras axisimétricas trabajando en el régimen de longitud de onda larga, como lentes de gradiente de índice. En este régimen, las reflexiones internas se reducen fuertemente y, en configuración axisimétrica, la adaptación de simetría con fuentes acústicas radiando haces de sonido incrementa la eficiencia drásticamente. Además, la teoría de homogenización puede ser empleada para modelar la estructura como un medio efectivo con propiedades físicas efectivas, permitiendo el estudio del frente de ondas en términos refractivos. Se mostrará el modelado, diseño y caracterización de un dispositivo de focalización eficiente basado en los conceptos anteriores. Considérese ahora una estructura periódica en la que uno de los parámetros de la red, sea el paso de red o el factor de llenado, cambia gradualmente a lo largo de la dirección de propagación. Los cristales chirp representan este concepto y son empleados aquí para demostrar un mecanismo novedoso de incremento de la intensidad de la onda sonora basado en un fenómeno conocido como reflexión "suave". Este incremento está relacionado con una ralentización progresiva de la onda conforme se propaga a través del material, asociado con la velocidad de grupo de la relación de dispersión local en los planos del cristal. Un modelo basado en la teoría de modos acoplados es propuesto para predecir e interpretar este efecto. Se observan dos fenómenos diferentes al considerar pérdidas en estructuras periódicas. Por un lado, si se considera la propagación de ondas sonoras en un array periódico de capas absorbentes, cuyo frente de ondas es paralelo a los planos del cristal, se produce una reducción anómala en la absorción combinada con un incremento simultáneo de la reflexión y transmisión a las frecuencias de Bragg, de forma contraria a la habitual reducción de la transmisión, característica de sistemas periódicos conservativos a estas frecuencias. En el caso de la misma estructura laminada en la que se cubre uno de sus lados mediante un reflector rígido, la incidencia de ondas sonoras desde un medio homogéneo, cuyo frente de ondas es perpendicular a los planos del cristal, produce un gran incremento de la fuerza de / [CA] Els cristalls fonònics són materials artificials formats per una disposició d'inclusions en un medi, ambdós poden ser sòlids o fluids. Controlant la geometría i el contrast d'impedàncies dels seus materials constituents, és poden controlar les propietats dispersives de les ondes, permetent una gran varietatde fenòmens fonamentals interessants en el context de la propagació d'ones. Quan una ona propagant troba un medi amb pèrdues amb propietats físiques diferents es pot transmetre i reflectir, però també absorbida si la dissipació es té en compte. Aquests fenòmens fonamentals s'han explicat clàssicament en el context de medis homogenis, però també ha sigut un tema de creixent interés en el context d'estructures periòdiques en els últims anys. Aquesta tesi doctoral tracta de l'estudi de diferents efectes en cristalls fonònics i sònics lligats a la transmissió, reflexió i absorció d'ones, així com del desenvolupament d'una tècnica de caracterització de les propietats dispersives, descrites mitjançant la estructura de bandes. En primer lloc, s'estudia el control de la propagació ondulatori en transmissió en sistemes conservatius. Més específicament, el nostre interés és mostrar com els cristalls sonors poden modificar la dispersió espacial d'ones propagants donant lloc al control de l'amplària per difracció dels feixos sonors. Mitjançant les corbes dispersió espacial obtingudes de l'anàlisi de l'estructura de bandes, es prediu, en primer lloc, la difracció d'ones zero i negativa a freqüències próximes al final de banda. El resultat és la collimació i focalització de feixos sonors dins i darrere de cristalls de so. Després es mostra amb mesures experimentals. L'eficiència de focalització d'un cristall de so 3D està limitada per la gran dispersió d'ones dins del cristall, que és característic del règim difractiu. Per a superar aquesta limitació, estructures axisimètriques que treballen en el règim de llargues longituds d'ona, i es comporten com a lents de gradient d'índex. En aquest règim, la dispersió es redueix enormement i, en una configuració axisimètrica, a causa de l'acoblament de la simetría amb les fonts acústiques que radien feixos sonors, l'eficiència de radiació s'incrementa significativament. D'altra banda, la teoria d'homogeneïtzació es pot utilitzar per a modelar, dissenyar i caracteritzar un dispositiu eficient de focalització basat en aquests conceptes. Considerem ara una estructura periòdica en la qual un dels seus paràmetres de xarxa, com ara la constant de xarxa o el factor d'ompliment canvia gradualment al llarg de la direcció de propagació. Els cristalls chirped representen aquest concepte i s'utilitzen ací per a demostrar un mecanisme nou d'intensificació d'ones sonores basat en el fenòmen conegut com a reflexió "suau". La intensificació està relacionada amb la alentiment progressiva de l'ona conforme propaga al llarg del material, que està associada amb la velocitat de grup de la relació de dispersió local en els diferents plànols del cristall. Es proposa un model basat en la teoria de modes acoblats per a predir i interpretar este efecte. Dos fenòmens diferents cal destacar quan es tracta d'estructures periòdiques amb dissipació. Per un costat, al considerar la propagació d'ones sonores en el plànol en un array periòdic de capes absorbents, s'observa una disminució anòmala de l'absorció i es combina amb un augment simultani de reflexió i transmissió en les freqüències de Bragg que contrasta amb la usual disminució de transmissió, característica dels sistemes conservatius a eixes freqüències. Per a un medi similar de capes, amb un reflector rígid darrere, les ones fora del pla incidint l'estructura des de un medi homogeni, augmentaran considerablement la interacció. En altres paraules, el retràs temporal de les ones sonores dins del sistema periòdic augmentarà significativament produint un augmen / Cebrecos Ruiz, A. (2015). Transmission, reflection and absorption in Sonic and Phononic Crystals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56463 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio