Construção de levitadores acústicos para aplicação em levitação de líquidos e partículas sólidas
Construção de levitadores acústicos para aplicação em levitação de líquidos e partículas sólidas
<jorio.fernandes@arapiraca.ufal.br>
A levitação acústica é um
fenômeno físico, responsável pela suspensão de partículas em meios fluidos como
o ar utilizando ondas mecânicas. Este fenômeno ocorre devido a transferência de
momento linear entre a onda incidente e as partículas a serem levitadas. Essa
transferência resulta em uma força conhecida como força de radiação acústica.
Esta força foi observada pela primeira vez por volta de 1886, através do
experimento conhecido como tubo de kundt. A formulação matemática mais
empregada em sistemas de levitação acústica foi formulada por Lev Petrovich
Gor’kov em 1962. Em sua teoria, considera-se o potencial (potencial de Gor’kov)
exercido sobre uma esfera de raio significativamente menor que o comprimento de
onda incidente. O tipo de levitador mais conhecido até hoje é o de ondas
estacionaria, onde devido a interação de ondas sonoras em uma cavidade
acústica, são formados padrões de interferência construtivos e destrutivos,
denominados nós e anti-nós de pressão acústica. O estudo e entendimento do
processo de levitação de partículas utilizando ondas acústica vem atraindo
diversos pesquisadores e indústrias devido a sua capacidade de manipulação
livre de contato. Nas indústrias farmacêuticas, por exemplo, sistemas de
levitação de líquidos pode ser muito utilidade no desenvolvimento de novos
fármacos sem que haja contaminação. Neste trabalho, realizamos a modelagem
numérica de um levitador acústico utilizando o método de elementos finitos
através do software COMSOL Multiphysics. Este método tem a capacidade de
simular problemas complexos, dividindo os mesmos em pequenas partes e aplicando
em cada uma delas as físicas necessárias. Em nossas simulações buscamos o
entendimento da física atuante nos levitadores e o comportamento das ondas
sonoras com a mudança de geometrias. Após a modelagem numérica, realizamos a
construção de dois tipos de levitadores acústico utilizando array de
transdutores de 40 kHz. Finalizando a análise entre as simulações e os experimentos
construídos.
Acoustic levitation is a
physical phenomenon, responsible for the suspension of particles in fluid media
such as air using mechanical waves. This phenomenon occurs due to linear
momentum transfer between the incident wave and the particles to be levitated.
This transfer results in a force known as the acoustic radiation force. This
force was first observed around 1886 through the experiment known as the kundt
tube. The most used mathematical formulation in acoustic levitation systems was
formulated by Lev Petrovich Gor’kov in 1962. In his theory, the potential
(Gor’kov potential) exerted on a sphere with a radius significantly smaller
than the wavelength is considered. incident. The best known type of levitator
to date is that of standing waves, where, due to the interaction of sound waves
in an acoustic cavity, constructive and destructive interference patterns are
formed, called acoustic pressure knots and anti-knots. The study and
understanding of the particle levitation process using acoustic waves has been
attracting many researchers and industries due to its ability to handle free of
contact. In pharmaceutical industries, for example, liquid levitation systems
can be very useful in the development of new drugs without contamination. In
this work, we perform the numerical modeling of an acoustic levitator using the
finite element method using COMSOL Multiphysics software. This method is
capable of simulating complex problems, dividing them into small parts and
applying the necessary physics to each of them. In our simulations we seek to
understand the physics acting on levitators and the behavior of sound waves
with changing geometries. After numerical modeling, we built two types of
acoustic levitators using 40 kHz array transducers. Finalizing the analysis
between the simulations and the constructed experiments.
Dr. Leão Neto, José Pereira.
Levitador acústico.
Radiação acústica - Força .
Método de elemento finito.