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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-04052022-074757
Documento
Autor
Nome completo
Guilherme Victor Selicani
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Buiochi, Flávio (Presidente)
Carbonari, Ronny Calixto
Silva, Glauber José Ferreira Tomaz da
Título em português
Desenvolvimento de transdutores ultrassônicos de alta potência para emissão em ar.
Palavras-chave em português
Acústica
Flotação de minérios
Transdutores piezelétricos de alta potência
Ultrassom
Resumo em português
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.
Título em inglês
Development of high-power piezoelectric ultrasonic transducers for emission in air.
Palavras-chave em inglês
Foam supression
High power piezoelectric transducers
Iron ore flotation
Ultrasound
Resumo em inglês
This dissertation deals with the development of high-power piezoelectric ultrasonic transducers for airborne acoustic waves. The transducers will be employed in a mining industry experimental application where the generated waves are directed towards iron ore flotation froth. The objective of such experiments is studying the possibility of using the ultrasound airwaves to suppress the foam or to increase the efficiency of the flotation process. The devices are composed of a Langevin transducer with a mechanical amplifier fixed to an acoustic radiator. The acoustic radiator is a grooved circular plate for directive emission, designed to vibrate on one of its axisymmetric flexural mode. The design approach for the plate consisted in parametrizing the stepped-plate geometry to define an optimization problem assessing the transducer operation mode of vibration, stiffness, operating natural frequency and mechanical stress concentrations. The problem was solved using the genetic algorithm implemented in Matlab with a routine that solved the differential equations that describe the transducers multiphysic behavior with the aid of the finite element software Ansys. The acoustic phenomenon was modelled using the Rayleigh Integral. Two different shapes for the backside of the plate were proposed: 1) arbitrary and easy to manufacture setting up a parametric optimization problem; 2) continuous, generated by spline interpolation, setting up a shape optimization problem. Five prototypes were used in this work. One prototype has a small emission surface with 30mm of diameter. Another prototype has an acoustic radiator with 300mm of diameter, operating on its fifth axisymmetric flexural vibration. The last three prototypes had radiators with around 200mm of diameter, operating on its third axisymmetric vibration mode. Within these three last prototypes, the first of them has a at backside, the second had its shape obtained with shape optimization. Both were made of aluminum alloy and made to work in laboratorial environments. The third was made of titanium alloy and was built to work in industrial environments. All devices were validated experimentally measuring its electrical impedance, vibration velocities on the emission surfaces and the generated acoustic field. The transducers were employed in experiments of foam suppression, iron ore flotation and to excite modes of vibration of structures with small stiffness.
 
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Data de Publicação
2022-05-04
 
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