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Simulação de um Sistema de Levitação Acústica para Manipulação de Partículas
em Ar
Marco A. B. Andrade1, Nicolás Pérez2, Julio C. Adamowski3
1Instituto de Física, Universidade de São Paulo2Centro Universitario de Paysandu, Universidad de la República, Uruguay
3Escola Politécnica, Universidade de São Paulo
Sumário
• Levitação acústica
• Teoria – Força de Radiação acústica
• Sistema de manipulação de partículas
• Simulação – COMSOL
• Comparação com resultados experimentais
Levitação acústica
Princípio de funcionamento
Levitação acústica
transdutor
nós
λ/2
refletor
Onda estacionária
u0
Força de radiação acústica:
Teoria de Gor`kov
Aproximar formiga por uma esfera(R <<λ)
Teoria de Gor`kov
⋅−=
232 2
23 uuf
ff c
pRU
ρρ
π
Potencial da força de radiação acústica:
U−∇=F
R – raio da partícula
p – pressão acústica
u – velocidade
ρf – densidade do fluido
cf – velocidade de propagação
Força de radiação acústica :
Teoria de Gor`kov
⋅−==
2
~~
3
~
2~
2
20
3
uupuR
UUρπ
Potencial adimensional:
0
~cupp
ρ=
0
~uuu =
onde:
Potencial da força de radiação acústica:
Potencial de uma mola
kxdxdUF −=−=
2
21 kxU =
kM
Potencial da força de radiação acústica
Levitação Acústica
Andrade et al., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control 57(2), pp. 469-479, 2010
Posição da esfera em função do tempo
Pérez et al., J. Appl. Phys. 116(8), art. no. 184903, 2014
Manipulação de partículas
Sistema de Levitação paramanipulação de partículas
Simulações: COMSOL - Módulo Acústico
f = 37.9 kHz
Simulações: COMSOL - Módulo Acústico
u0
u1p1
( )θjppp −+= exp21
( )θj−+= exp21 uuu
⋅−=
232 2
23 uuf
ff c
pRU
ρρ
π
Potencial :
Simulações: COMSOL - Módulo Acústico
u0
u2p2
( )θjppp −+= exp21
( )θj−+= exp21 uuu
⋅−=
232 2
23 uuf
ff c
pRU
ρρ
π
Potencial :
Experimento
Comparação entre Simulação e Experimento
θ = -180o θ = +30o θ = +180o
Comparação entre Simulação e Experimento
Comparação entre Simulação e Experimento
Sumário
• Princípio de funcionamento de um levitador acústico
• Sistema de levitação para manipulação de partículas
• Simulações - COMSOL
• Comparação entre resultados numéricos e experimentais
Agradecimentos
Obrigado pela atenção !