Desenvolvimento de transdutores ultrassônicos de alta potência para emissão em ar. - Selicani, Guilherme Victor (2021)
Esta dissertação trata do desenvolvimento de transdutores ultrassônicos piezelétricos de potência para emissão de ondas acústicas em ar. Tais transdutores são destinados a aplicações experimentais da indústria de mineração. Nos experimentos, as ondas ultrassônicas são direcionadas a espumas de flotação de minério de ferro, com o intuito de suprimi-las e de aumentar a eficiência do processo de separação de mistura. Os dispositivos desenvolvidos são compostos por um transdutor do tipo Langevin com amplificador mecânico acoplado ao radiador acústico. Os radiadores acústicos utilizados são placas circulares com ranhuras concêntricas para emissão diretiva, projetadas para vibrar em um de seus modos de flexão axissimétricos. Uma abordagem de projeto da placa foi proposta: parametrizar o domínio de sua geometria, afim de definir um problema de otimização, avaliando o modo de vibrar da placa, sua rigidez, frequência de operação e concentração de tensões mecânicas. Duas geometrias para a parte inferior da placa com ranhuras foram propostas, sendo uma com perfil arbitrário de fácil usinagem, cofigurando um problema de otimização paramétrica, e outra que utiliza formatos contínuos gerados por splines livre de arbitrariedades, configurando um problema de otimização de forma. Os problemas foram resolvidos pelo algoritmo genético e implementados em Matlab em uma rotina que automatiza a solução das equações diferenciais que regem o comportamento multifásico do transdutor com auxílio do software de elementos finitos Ansys. A modelagem acústica foi realizada pela integral de Rayleigh. Cinco protótipos foram utilizados neste trabalho: um transdutor com face emissora circular com 30mm de diâmetro, um transdutor com radiador acústico de 300mm de diâmetro (operando no quinto modo de flexão axissimétrico) e outros três transdutores com radiadores acústicos com aproximadamente 200mm de diâmetro (operando no terceiro modo de vibrar de flexão axissimétrico). Destes, o primeiro radiador possui face inferior lisa e o segundo foi obtido por otimização de forma. Ambos foram feitos com liga de alumínio e com finalidade de uso laboratorial. O terceiro radiador foi feito em titânio, com face inferior de geometria arbitrária, para uso em ambiente industrial. Os protótipos foram validados experimentalmente por meio de medições de impedância elétrica, velocidade de vibração das superfícies emissoras e do campo acústico gerado. Os transdutores foram utilizados em ensaios de supressão de espuma, flotação e para excitação de modos de vibrar de estruturas de baixa rigidez.