Estudo de sistema de levitação acústica

Abstract

O som é uma onda mecânica e como tal transporta energia que age sobre partículas devido às forças de radiação acústica. O princípio para suspender corpos é aplicar uma força de tal forma a equilibrar seu peso. Na técnica de levitação acústica (AcLev) uma pequena esfera pode ser suspensa pela força de radiação acústica gerada por uma onda estacionária, sendo que o ponto de levitação está localizado na região em que o potencial acústico é mínimo, que é condição necessária para levitar uma esfera com raio muito menor que o comprimento de onda. Levitação acústica (AcLev) é uma ferramenta importante para manusear objetos sem contêineres. Nos anos recentes muitos dispositivos foram desenvolvidos com sucesso devido ao comportamento estável dos dispositivos AcLev. Como resultado, a maioria dos trabalhos sobre Aclev se concentram sobre simulações numéricas ou testes experimentais para estudar a geometria e arranjos dos emissores acústicos, ou a influência de vários tipos de perturbações, e a maioria desses modelos matemáticos considera somente o potencial acústico. Neste trabalho, a equação não linear de movimento para uma partícula levitada imersa em campo acústico de eixo único foi desenvolvida, considerando também forças dissipativas. O espaço parâmetro foi examinado buscando a existência de bifurcações, e faixas de projeto para os ganhos do dispositivo AcLev foram determinadas a partir da condição de existência de pontos de equilíbrio. Em adição, o comportamento dinâmico do dispositivo AcLev concernente aos ganhos foi estudado, considerando também a situação de microgravidade. Simulações numéricas corroboraram os resultados analíticos.

Sound is a mechanical wave and aims to carry energy that acts on particles due to acoustic radiation forces, while the principle to suspend bodies is to apply a force in such a way as to balance their weight. In the acoustic levitation technique (Aclev) a small sphere can be suspended by the acoustic radiation force generated by a stationary wave and the levitation point is located in the region where the acoustic potential is minimal, which is a necessary condition for levitating a sphere with radius much smaller than the wavelength. AcLev is an important tool for handling objects without the use of containers. In recent years many devices have been successfully developed due to the stable behavior of AcLev. As a result, most works on Aclev focuses on numerical simulations and experimental tests to study the geometry and arrangement of acoustic emitters, or the influence of various kinds of perturbations, and most mathematical models consider only acoustic potential. In this work, the nonlinear equation of motion for a levitated particle immersed in an acoustic field with single axis was developed considering also dissipative forces. The parameter space was searched for the existence of bifurcations and the design range for AcLev device gains were determined from the condition of equilibrium points. In addition, the dynamic behavior of the AcLev device regarding gains has been studied, also considering the microgravity situation. Numerical simulations corroborated the analytical results.