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Tese de Doutorado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Marco Aurélio Brizzotti Andrade
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2010
Orientador
Banca examinadora
Adamowski, Júlio Cezar (Presidente)
Casares, Carlos Alther Negreira
Gaete Garretón, Luis Francisco Javier
Machado, João Carlos
Meneghini, Julio Romano
Título em português
Estudo da força de radiação acústica em partículas produzida por ondas progressivas e estacionárias.
Palavras-chave em português
Acústica
Método dos elementos finitos
Ondas
Resumo em português
O objetivo deste trabalho é estudar o fenômeno da força de radiação acústica produzida por ondas progressivas e estacionárias. Neste trabalho o estudo da força produzida por ondas estacionárias é aplicado na análise de um levitador acústico e o estudo da força de radiação acústica por ondas progressivas é feito visando a futura construção de um separador acústico. Neste trabalho é utilizado o método dos elementos finitos para simular o comportamento de um levitador acústico. Primeiramente, é feita a simulação de um levitador acústico que consiste de um transdutor de Langevin com uma face de emissão plana que opera na freqüência de aproximadamente 20 kHz e um refletor plano. O método dos elementos finitos é utilizado para determinar o deslocamento da face do transdutor e o potencial acústico que atua numa esfera pequena. O deslocamento da face do transdutor obtido numericamente é comparado com o medido experimentalmente por um vibrômetro de fibra ótica e o potencial acústico determinado pelo método dos elementos é verificado experimentalmente colocando pequenas esferas de isopor no levitador. Depois de verificar o modelo numérico, o método dos elementos finitos é utilizado na otimização de um levitador acústico composto de um refletor côncavo e um transdutor com face de emissão côncava. Os resultados numéricos mostram que a força de radiação acústica no novo levitador é aumentada em 604 vezes quando comparada com o levitador composto de um transdutor com face plana e refletor plano. Este trabalho também apresenta um modelo numérico para determinar a trajetória de partículas esféricas na presença de uma onda de ultra-som progressiva. O modelo assume que as seguintes forças atuam na partícula: gravidade, empuxo, forças viscosas e força de radiação acústica devido a uma onda progressiva. Com o objetivo de não restringir o tamanho das partículas que podem ser utilizadas no modelo é empregada uma equação empírica do coeficiente de arrasto, válida para uma grande faixa de número de Reynolds. O modelo proposto requer a distribuição de pressão gerada pelo transdutor de ultra-som. A distribuição de pressão é medida experimentalmente utilizando um hidrofone calibrado. A verificação do modelo é feita soltando-se pequenas esferas de vidro (com diâmetros da ordem de 500 m) em frente a um transdutor de ultra-som de 1 MHz e 35 mm de diâmetro.
Título em inglês
Acoustic radiation force on particles produced by progressive and standing waves.
Palavras-chave em inglês
Acoustic levitation
Acoustic radiation force
Ultrasound
Resumo em inglês
The objective of this work is to study the acoustic radiation force produced by progressive and standing waves. In this work, the studies related to the acoustic radiation force generated by ultrasonic standing waves are applied in the analysis of an acoustic levitator and the studies involving the acoustic radiation force generated by progressive waves are conducted aiming the design of acoustic separators. In this work, the finite element method is used to simulate an acoustic levitator. First, an acoustic levitator consisting of a 20 kHz Langevin ultrasonic transducer with a plane radiating surface and a plane reflector is simulated by the finite element method. The finite element method is used to determine the transducer face displacement and the acoustic radiation potential that acts on a small sphere. The numerical displacement is compared with that obtained by a fiber-optic vibration sensor and the acoustic radiation potential determined by the finite element method is verified experimentally by placing small Styrofoam spheres in the levitator. After verifying the numerical method, the finite element method was used to optimize an acoustic levitator consisting of a concave-faced transducer and a curved reflector. The numerical results show that the acoustic radiation force in the new levitator is enhanced 604 times compared with the levitator consisting of a plane transducer and a plane reflector. This work also presents a numerical model to determine the trajectory of sphere particles when submitted to ultrasonic progressive waves. This model assumes that the following forces act on the particle: gravity, buoyancy, viscous forces and acoustic radiation force due to the progressive wave. In order not to restrict the model to a small particle size range, the viscous forces that act on the sphere are modeled by an empirical relationship of drag coefficient that is valid for a wide range of Reynolds numbers. The numerical model requires the pressure field radiated by the ultrasonic transducer. The pressure field is obtained experimentally by using a calibrated needle hydrophone. The numerical model validation is done by dropping small glass spheres (on the order of 500 m diameter) in front of a 1-MHz 35-mm diameter ultrasonic transducer.
 
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Data de Publicação
2010-08-30
 
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