¿Cómo mido la temperatura de una pequeña gota de agua?

La pregunta original era cómo medir la temperatura en una pequeña muestra de líquido con cierto grado de precisión. Luego pregunté en respuesta si sería suficiente medir un cambio de temperatura, en lugar de una temperatura absoluta. El interés en esto me llevó a escribir lo siguiente. He incluido algunos artículos, pero hay una gran cantidad de literatura; Si necesita más citas, solo pregunte.

Imagine un objeto que está "algo aislado". Con esto quiero decir que la energía en forma de ondas mecánicas o electromagnéticas que ingresan al cuerpo experimentará algún tipo de atrapamiento, lo que provocará un retraso a medida que la onda rebota. La atenuación del cuerpo no puede ser demasiado grande o la onda desaparecerá antes de que haya rebotado lo suficiente como para probar las propiedades.

Podemos iluminar o insonificar el cuerpo con un impulso o una excitación CW. Para el primero registramos la respuesta al impulso durante un tiempo "largo". Es decir, hasta que la respuesta haya decaído hasta el nivel de ruido de fondo. Para una excitación de CW, hacemos un barrido sobre el mismo rango de señales presentes en la respuesta de impulso (de banda limitada).

Para una fuente impulsiva, el pulso rebota dentro de la muestra. Dado que estamos asumiendo una atenuación relativamente baja, el pulso rebota muchas veces y registramos el historial de tiempo completo de la respuesta de la muestra en la superficie (ver más abajo). La parte tardía de la señal grabada se llama coda. Ahora supongamos que registramos una señal de línea de base (antes) y luego otra después de haber hecho alguna perturbación, como cambiar la temperatura. La primera parte de la respuesta al impulso será relativamente insensible a estos cambios ya que la onda no ha tenido tiempo de rebotar. Pero la señal de tiempo tardío habrá muestreado la perturbación muchas veces. Si usamos esta señal de tiempo tardío (antes y después de la perturbación) para hacer inferencias sobre los pequeños cambios que estamos haciendo "interferometría de onda coda"http://mesoscopic.mines.edu/acoustics-old/preprints/science_cwi.pdf (Science, 2002).

Ahora considere usar un barrido CW de banda limitada en lugar de un impulso. La respuesta del sistema será un espectro. La comparación antes/después nos dará un cambio en las frecuencias propias y sus anchos de línea. Siempre que el ancho de la resonancia sea menor que la perturbación en el sistema que estamos tratando de resolver, entonces podemos usar esta técnica (esencialmente, la perburbación de la cavidad) para resolver el parámetro físico que da lugar a la perturbación. En este tutorial http://acoustics.mines.edu/preprints/time_frequency.pdf (Am. J. Phys, 2005) damos una serie de ejemplos del laboratorio, incluido uno en el que las pequeñas perturbaciones de temperatura se resuelven con onda coda interferometría y perturbación espectral. Aquí hay más ejemplos experimentales:http://acoustics.mines.edu/preprints/Gret_JGR_06.pdf (J. Geophysical Res.)

Finalmente, debo decir algo sobre cómo inyectamos la señal y la medimos. En mi laboratorio usamos ultrasonido láser (los láseres IR pulsados ​​son la fuente de vibraciones mecánicas y un interferómetro láser mide la respuesta mecánica). Pero ahora también usamos fuentes electromagnéticas CW de barrido sub-THz y receptores heterodinos. Sin embargo, muchos laboratorios de ultrasonido utilizan transductores de ultrasonido sin contacto (capacitivos o magnetorrestrictivos, etc.). Pero ese es un campo enorme en sí mismo y mi breve explicación refleja el equipo que tengo en mi laboratorio.

Entonces, en resumen, cuando mida una respuesta de impulso, asegúrese siempre de seguir grabando hasta que la señal se pierda en el ruido de fondo; se sorprenderá de la cantidad de información que se encuentra justo por encima del nivel de ruido. Y aunque la invertibilidad de la Transformada de Fourier ha convencido a muchas personas de que la respuesta de impulso y la medición de onda continua de barrido son las mismas, debe considerar el siguiente hecho: no importa cuántas respuestas de impulso repetidas registre, no puede superar la longitud de señal finita impuesta por la atenuación en la muestra. La resolución en el dominio de Fourier está limitada por 1/Tmax. Mientras que con una excitación CW, puede bombear energía al sistema "para siempre".