Publicação: Estudo teórico e experimental da levitação acústica de campo próximo
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS::MECANICA DOS CORPOS SOLIDOS, ELASTICOS E PLASTICOS
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Orientador
Coorientador
Cavalini Júnior, Aldemir Aparecido
Resumo
A levitação acústica de campo próximo consiste na criação de um Ąlme de gás
comprimido entre uma superfície de acionamento e o objeto que se deseja transportar
ou levitar. A superfície de acionamento é então responsável pela pressurização desse
gás (normalmente o ar), que ocorre devido às oscilações de grande amplitude e alta
frequência (frequência ultrassônica, superior a 20 kHz), geralmente alcançadas a
partir da utilização de transdutores ultrassônicos (mais comumente, os transdutores
de Langevin), operando em condição de ressonância. A elevação da pressão desse
gás dependerá de suas viscosidade e compressibilidade, e a média do campo de
pressão resultante gerado (no domínio do tempo) deverá ser maior do que a pressão
do ambiente no qual se encontra o sistema de levitação. Sendo assim, a levitação
acústica de campo próximo insere-se no contexto da busca por alternativas que
permitam o transporte e o armazenamento de objetos e substâncias sem que haja
contato entre eles e a superfície transportadora e que movimentos lineares ou
rotacionais de alta velocidade em máquinas possam ocorrer sem a utilização de
lubriĄcantes convencionais. Entretanto, esta técnica possui limitações no que diz
respeito a aplicações onde é necessária uma alta capacidade de carga. Sendo assim,
este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento da técnica de levitação
acústica de campo próximo sob condições distintas de forma a determinar quais são
os agentes que exercem inĆuência sobre a sua capacidade de carga. Para isso, foi
feito um estudo teórico a partir dos modelos matemáticos de um sistema de levitação
acústica de campo próximo com o objeto a ser levitado Ąxo e livre e, em seguida,
foi aplicada a técnica de análise de incertezas e sensibilidade intervalares com o
objetivo de avaliar os efeitos de incertezas aplicadas aos parâmetros operacionais
(frequência de acionamento, tamanho da superfície de acionamento, amplitude
de vibração) e ambientais (pressão inicial e viscosidade do Ćuido ambiente) no
desempenho da levitação acústica de campo próximo. Dessa forma foi possível
veriĄcar que a capacidade de carga do sistema de levitação com o disco superior
Ąxo, é mais sensível às incertezas aplicadas nas condições ambientais e na frequência
operacional. Enquanto que o sistema de levitação com o disco superior livre tem
o seu desempenho mais inĆuenciado pelos parâmetros operacionais (amplitude
de vibração e tamanho da superfície de acionamento). Por Ąm, é realizado um
estudo experimental comparativo entre sistemas de levitação acústica de campo
próximo com superfícies de acionamento com e sem ranhuras e análises numéricas
comparativas entre sistemas sem texturas (superfície de acionamento lisa), com
ranhuras de diferentes tamanhos e com degraus em posições distintas. De modo
geral, a superfície de acionamento lisa foi a que apresentou o melhor desempenho
dentre as avaliadas, seguida pela superfície com degraus.
Abstract
Near-field Acoustic levitation occours when a squeezed film is created between a
driven surface and the object to be either transported or levitated. The driven
surface is then responsible for the pressurization of the gas (usually the air), which
occurs due to its large amplitude and high frequency oscillations (ultrasonic frequency, greater than 20 kHz), normally achieved through the use of ultrasonic
transducers (more commonly a Langevin transducer) operating in resonance condition. The increase in the pressure of this gas will depend on its viscosity and
compressibility. Besides, the average of the resulting pressure field generated (in
the time domain) should be greater than the pressure of the environment in which
the levitation system is inserted. Thus, near-field acoustic levitation is part of
the search for alternatives that allow for the transport and storage of objects and
substances without contact between surfaces, so that linear or rotational high-speed
movements in machines may occur without the use of conventional lubricants.
However, this technique has limitations with respect to applications where a high
load capacity is required. Therefore, this work aims to analyze the behavior of
the near-field acoustic levitation technique under different conditions in order to
determine which agents exert some influence on its carrying capacity. For this aim,
the numerical model of a near-field acoustic levitation system with the object to be
levitated fixed and free is presented. Then, the interval uncertainty and sensitivity
analyses technique is applied in order to evaluate the effects of uncertainties on
both the operational (drive frequency, drive surface size, vibration amplitude) and
environmental (initial pressure and ambient fluid viscosity) parameters regarding
the near-field acoustic levitation performance. In this way, it was possible to verify
that the load capacity of the levitation system with the upper disk fixed, is more
sensitive to the uncertainties applied in the environmental conditions and in the
operational frequency. While the levitation system with the upper disc free has its
performance more influenced by the operational parameters (amplitude of vibration
and size of the actuation surface). Finally, a comparative experimental study is
carried out between near-field acoustic levitation systems with drive surfaces with
and without grooves and comparative numerical analyzes between systems without
textures (smooth drive surface), with grooves of different sizes and with steps in
different positions. different. In general, the smooth drive surface presented the
best performance among those evaluated, followed by the stepped surface.
Palavras-chave
Levitação Acústica de Campo Próximo, Análises de Incertezas e Sensibilidades Intervalares, Levitação Acústica com Ranhuras, Análise de Incertezas em Levitação Acústica
Citação
ZUFFI, Geisa Arruda. Estudo teórico e experimental da levitação acústica de campo próximo. 2022. 132 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.5302.
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