Acoustic radiation force generated by ultrasound standing waves

Autor: Tiago dos Santos Ramos
Přispěvatelé: Julio Cezar Adamowski, Marco Aurélio Brizzotti Andrade, Nicolás Leonardo Pérez Alvarez, José Henrique Araújo Lopes de Andrade, Ricardo Tokio Higuti, Emilio Carlos Nelli Silva
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2017
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
Popis: O estudo da força de radiação acústica é de extrema importância para compreender o fenômeno da levitação acústica, tendo em vista que ela é que permite a levitação de objetos no interior de uma cavidade acústica. A cavidade acústica é uma região do espaço delimitada pelas faces de um transdutor e de um refletor, onde é produzida uma onda estacionária de alta intensidade. Nesta técnica, conhecida como levitação por ondas estacionárias, pequenos objetos são aprisionados nos nós de pressão da onda estacionária. Além desta, também existe uma outra técnica de levitação onde não há a necessidade de se utilizar um refletor, técnica conhecida como levitação de campo próximo, na qual se tem apenas um transdutor e o objeto de face plana que se deseja levitar. Nesta técnica há uma pequena região com ar entre o transdutor e o objeto, sendo que a espessura da camada de ar é muito menor que o comprimento de onda. Neste trabalho foi feito um estudo numérico e experimental da força de radiação acústica em levitadores acústicos de onda estacionária e em levitadores de campo próximo. As simulações foram realizadas no software de elementos finitos COMSOL Mutiphysics. No estudo experimental foi utilizada uma balança eletrônica para medir a força de radiação acústica e uma câmera de alta velocidade para observar o comportamento oscilatório de objetos esféricos no interior da cavidade acústica. O estudo da força de radiação acústica resultou em três principais contribuições. A primeira contribuição está relacionada com a caracterização de efeitos não lineares em um levitador acústico, como o fenômeno de salto (jump phenomenon) e o fenômeno de histerese. A segunda contribuição está relacionada com o estudo numérico e experimental da força de radiação acústica que atua no refletor de um levitador acústico. Por último também foi feito um estudo da força de radiação acústica que atua no refletor para a região do campo próximo. Neste último estudo foi verificado que quando o diâmetro da face do transdutor é pequeno em comparação com o comprimento de onda, surge uma força atrativa sobre o refletor, e esta força pode ser utilizada para levitar um objeto plano em baixo da face do transdutor, sem haver necessidade de utilizar refletores. The study of the acoustic radiation force is of high relevance to understand the acoustic levitation, since it is responsible for the levitation of small objects in the interior of an acoustic cavity. The acoustic cavity is the region delimited by the surfaces of the transducer and the reflector, where it is generated an acoustic standing wave field of high intensity. In this technique, called standing wave acoustic levitation, small objects are entrapped at the pressure nodes of the standing wave. In addition, there is also another levitation technique where there is no need to use a reflector. This technique is known as near-field levitation, in which there is only one transducer and the flat-faced object to be levitated. In this technique there is a small region with air between the transducer and the object, with the thickness of the air layer being much smaller than the wavelength. In this work, a numerical and experimental study of the acoustic radiation force in acoustic wave levitators and near-field levitators was done. The simulations were performed in the finite element software COMSOL Mutiphysics. In the experimental results, an electronic scale was used to measure the acoustic radiation force and a high speed camera was applied to observe the oscillatory behavior of spherical objects inside the acoustic cavity. The study of acoustic radiation strength resulted in three main contributions. The first contribution is related to the characterization of nonlinear effects in an acoustic levitator, such as the jump phenomenon and the hysteresis phenomenon. The second contribution is related to the numerical and experimental study of the acoustic radiation force that acts on the reflector of an acoustic levitator. Finally, a study of the acoustic radiation force that acts on the reflector for the near field region was also made. In this last study, it was verified that when the transducer is small in comparison with the wavelength, an attractive force appears on the reflector. This force can be used to levitate a flat object below the transducer face, without requiring a reflector.
Databáze: OpenAIRE
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