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.