Modelagem numérica de transdutores de Langevin para aplicações industriais
Modelagem numérica de transdutores de Langevin para aplicações industriais
<mateus.costa@arapiraca.ufal.br>
Transdutores
de Langevin são dispositivos com capacidade de transformar energia elétrica em
energia mecânica, mais especificamente, pulsos elétricos em ondas sonoras,
transmitindo ondas de ultrassom para o meio em contato. Devido a sua eficácia,
baixo consumo de energia e funcionamento sem poluição do meio ambiente,
diversas aplicações têm empregado o uso de transdutores de Langevin em
indústrias nos últimos anos. Dentre as aplicações envolvendo essa técnica,
podemos citar o uso dos transdutores em estampagem e soldagem de tecidos,
equipamentos hospitalares, processos de cortes e perfuração, separação de emulsões
água em óleo no processamento primário de petróleo e na limpeza ultrassônica de
materiais sólidos. Desse modo, foi realizado um estudo teórico e a modelagem
computacional de transdutores de Langevin sendo apropriados para gerar
cavitação acústica. O processo de cavitação acústica corresponde na formação,
crescimento e futuramente implosão de microbolhas de vapor em um meio líquido
submetido a uma onda sonora de ultrassom de alta intensidade. Quando ocorre a
formação de cavidades (microbolhas), alguns efeitos (físicos, químicos e
biológicos) podem ser gerados, tais como ondas de choque e microjatos. Assim,
esse processo se torna eficaz em várias aplicações, como sonoquímica, limpeza
de materiais, sonoluminescência, entre outros. O design dos transdutores foi realizado
por meio de simulações numéricas utilizando o Método de Elementos Finitos (MEF)
através do software comercial COMSOL Multiphysics®. Em particular, foram realizadas
simulações para o desenvolvimento de um transdutor de Langevin operando com frequência
de ressonância em 20 kHz, acoplado a 5 amplificadores mecânicos com diferentes geometrias,
e imerso em um tanque composto por água. Os efeitos de amortecimento mecânico
causados a partir dos fatores de perda dos materiais utilizados no transdutor foram
inclusos nas simulações. A caracterização dos transdutores modelados foi
realizada através da curva de impedância elétrica, do deslocamento mecânico e a
distribuição de pressão acústica gerada pelo dispositivo. A realização do
estudo proposto é de grande importância para a linha de produção dos
transdutores e suas futuras aplicações em diversas áreas, como na indústria de
petróleo e gás e no desenvolvimento de equipamentos hospitalares.
Langevin
transducers are devices capable of transforming electrical energy into
mechanical energy, more specifically, electrical pulses into sound waves,
transmitting ultrasound waves to the medium in contact. Due to its efficiency,
low energy consumption and operation without pollution of the environment,
several applications have employed the use of Langevin transducers in
industries in recent years. Among the applications involving this technique, we
can mention the use of transducers in stamping and welding of fabrics, hospital
equipment, cutting and drilling processes, separation of water-in-oil emulsions
in the primary processing of petroleum and in the ultrasonic cleaning of solid
materials. Thus, a theoretical study and computational modeling of Langevin
transducers were carried out, being appropriate to generate acoustic cavitation.
The acoustic cavitation process corresponds to the formation, growth and future
implosion of vapor microbubbles in a liquid medium subjected to a
high-intensity ultrasound sound wave. When cavities (microbubbles) form, some
effects (physical, chemical and biological) can be generated, such as shock
waves and microjets. Thus, this process becomes effective in several
applications, such as sonochemistry, cleaning of materials, sonoluminescence,
among others. The design of the transducers was carried out through numerical
simulations using the Finite Element Method (FEM) through the commercial
software COMSOL Multiphysics®. In particular, simulations were carried out for
the development of a Langevin transducer operating with a resonance frequency
of 20 kHz, coupled to 5 mechanical amplifiers with different geometries, and
immersed in a tank composed of water. The mechanical damping effects caused by
the loss factors of the materials used in the transducer were included in the simulations.
The characterization of the modeled transducers was performed through the
electrical impedance curve, the mechanical displacement and the acoustic
pressure distribution generated by the device. The realization of the proposed study
is of great importance for the production line of transducers and their future
applications in several areas, such as in the oil and gas industry and in the
development of hospital equipment.
Dr. Albuquerque, Samuel Silva de.
Cavitação acústica.
Langevin, Transdutores de.
Modelagem numérica.