Acoustic levitation is a method which uses sound radiation to suspend matter in a medium. The main use of this phenomenon is for the contactless processing of matter, allowing to manipulate small objects without any solid contact. Contactless processing of matter presents many advantages in, for example, the fabrication of MEMS (microelectromechanical systems) where handling the components is challenging because of their fragile and surface-sensitive characteristics or in the chemical/biological industry when handling high-purity or hazardous materials. Thus, a new device for noncontact linear transportation of small solid objects is presented here. In this device, ultrasonic flexural vibrations are generated along the ring shaped vibrator using two Langevin transducers and by using a reflector parallel to the vibrator, small particles are trapped at the nodal points of the resulting acoustic standing wave. The particles are then moved by generating a traveling wave along the vibrator, which can be done by modulating the vibration amplitude of the transducers. The working principle of the traveling wave along the vibrator has been modeled by the superposition of two orthogonal standing waves, and the position of the particles can be predicted by using finite element analysis of the vibrator and the resulting acoustic field. A prototype consisting of a 3 mm thick, 220 mm long, 50 mm wide and 52 mm radius aluminum ring-type vibrator and a reflector of the same length and width was built and small polystyrene spheres have been successfully transported along the straight parts of the vibrator. / Levitação acústica é um método para suspender matéria em um meio através de pressão de radiação acústica gerada por intensas ondas de som. O principal uso desse fenômeno é na manipulação de partículas sem contato solido. Esse fenômeno tem várias aplicações para pesquisas onde deve ser evitado todo o contato como, por exemplo, na área de biologia, química, e na fabricação de MEMS. Assim, um novo sistema de transporte linear de partículas por levitação acústica está apresentado aqui. Nesse sistema, vibrações flexurais estão geradas em uma placa tipo anel com dois transdutores tipo Langevin, e colocando um refletor paralelo ao oscilador, partículas estão presas no pontos nodais da onda acústica gerada. As partículas estão deslocadas modulando a amplitude dos transdutores. Assim, este trabalho tem como objetivos a modelagem do fenômeno de levitação acústica, o dimensionamento de um protótipo de sistema de transporte linear de partículas por levitação acústica, bem como a fabricação e o controle desse protótipo. Um protótipo consistindo de uma estrutura tipo anel de alumínio de 3 mm de espessura, 220 mm de comprimento e um raio de 52 mm foi fabricado e o transporte de pequenas esferas de isopor foi realizado com êxito nas parte retas do vibrador.

Acoustic levitation is a method which uses sound radiation to suspend matter in a medium. The main use of this phenomenon is for the contactless processing of matter, allowing to manipulate small objects without any solid contact. Contactless processing of matter presents many advantages in, for example, the fabrication of MEMS (microelectromechanical systems) where handling the components is challenging because of their fragile and surface-sensitive characteristics or in the chemical/biological industry when handling high-purity or hazardous materials. Thus, a new device for noncontact linear transportation of small solid objects is presented here. In this device, ultrasonic flexural vibrations are generated along the ring shaped vibrator using two Langevin transducers and by using a reflector parallel to the vibrator, small particles are trapped at the nodal points of the resulting acoustic standing wave. The particles are then moved by generating a traveling wave along the vibrator, which can be done by modulating the vibration amplitude of the transducers. The working principle of the traveling wave along the vibrator has been modeled by the superposition of two orthogonal standing waves, and the position of the particles can be predicted by using finite element analysis of the vibrator and the resulting acoustic field. A prototype consisting of a 3 mm thick, 220 mm long, 50 mm wide and 52 mm radius aluminum ring-type vibrator and a reflector of the same length and width was built and small polystyrene spheres have been successfully transported along the straight parts of the vibrator. / Levitação acústica é um método para suspender matéria em um meio através de pressão de radiação acústica gerada por intensas ondas de som. O principal uso desse fenômeno é na manipulação de partículas sem contato solido. Esse fenômeno tem várias aplicações para pesquisas onde deve ser evitado todo o contato como, por exemplo, na área de biologia, química, e na fabricação de MEMS. Assim, um novo sistema de transporte linear de partículas por levitação acústica está apresentado aqui. Nesse sistema, vibrações flexurais estão geradas em uma placa tipo anel com dois transdutores tipo Langevin, e colocando um refletor paralelo ao oscilador, partículas estão presas no pontos nodais da onda acústica gerada. As partículas estão deslocadas modulando a amplitude dos transdutores. Assim, este trabalho tem como objetivos a modelagem do fenômeno de levitação acústica, o dimensionamento de um protótipo de sistema de transporte linear de partículas por levitação acústica, bem como a fabricação e o controle desse protótipo. Um protótipo consistindo de uma estrutura tipo anel de alumínio de 3 mm de espessura, 220 mm de comprimento e um raio de 52 mm foi fabricado e o transporte de pequenas esferas de isopor foi realizado com êxito nas parte retas do vibrador.

Orientador: Átila Madureira Bueno / Resumo: 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 dispos... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: 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 analyt... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre