近日，清華大學集成電路學院任天令教授團隊合作報道了一種結合石墨烯與3D打印腔體的可穿戴聲學器件，通過熱聲共振機制實現了諧振頻率可調諧與聲壓增強。
該研究針對二維熱聲器件在5千赫茲以上頻段聲譜平坦但低頻聲壓不足的問題，設計了一種結合石墨烯與3D打印腔體的可穿戴聲學器件。該器件以激光直寫石墨烯作為二維柔性熱聲源附著于海螺式螺旋腔體底部，基于熱聲效應釋放焦耳熱引發空氣振動形成聲音，經過腔體內部螺旋結構實現熱聲共振，其諧振頻率可調并增強了共振聲壓。實驗驗證了器件工作的諧振頻率與聲傳播路徑距離的反比關系：當腔體高度從0增至10毫米時，5.4千赫茲頻率下的聲壓級從32分貝提升至71分貝。最后在商用人工耳蝸系統測試中，實現1千赫茲與10千赫茲雙頻點的有效聲放大，為柔性揚聲器開發提供了新思路。
圖1 低頻放大的類海螺亥姆霍茲共振腔中的器件機制和性能對比
如圖1所示，受天然海螺殼體的聲學特性啟發，研究人員開發出一種可穿戴式類海螺的亥姆霍茲共振腔（圖1A-C）。該裝置將超薄石墨烯熱聲器件集成于腔體入口，通過獨創的螺旋腔體設計實現熱聲共振放大機制：熱聲轉換產生聲波→腔體出口聲阻抗變化引發聲波反射→反射波與原聲波形成共振→亥姆霍茲腔增強聲壓（圖1D）。性能測試表明，裝配有該仿生腔體的聲學器件在可聽頻域內呈現多頻段增強效應，聲壓提升效果顯著優于開放環境及傳統耳機殼體，為柔性聲學薄膜揚聲器在智能助聽設備等領域的應用開辟了新路徑（圖1E）。
圖2 LSG器件微觀形態和拉曼光譜圖像
圖2A為基于石墨烯的多層聲源器件結構。該器件以激光直寫石墨烯（LSG）為核心，中層為聚氨酯柔性膜，下層為透氣紙纖維基底，形成獨特的“三明治”結構。制備過程包括氧化石墨烯涂覆、激光還原及電極連接，其核心創新在于超薄PU-LSG復合體可貼附于任意曲面，器件尺寸僅3.5×3.5毫米（圖2B）。掃描電鏡顯示LSG表面均勻平整（圖2C），截面呈現50微米厚三層柔性結構（圖2D-E）。拉曼光譜表明激光處理后出現多層石墨烯特征峰（圖2F）。
圖3 測試平臺和LSG器件在直腔中的聲音發射性能結果
石墨烯聲學器件及仿生腔體的增效機制獲實驗驗證（圖3）：研究團隊搭建了標準化測試平臺（圖3A），首先采用3D打印制備了直腔體，底部集成LSG聲源，頂部配置高靈敏麥克風。實驗表明，當腔體高度從0增至10毫米時，5.4千赫茲頻率下的聲壓級實現39分貝到71分貝跨越式提升，并驗證了聲傳播路徑與諧振頻率成反比（圖3B）。隨著腔體高度增至50毫米，可聽域范圍內諧振峰數量增至六個，基礎頻率f1由17.2千赫茲降至1.8千赫茲（圖3C-D）。研究證實了腔體高度，即聲波傳播距離，是影響諧振頻率的核心參數。性能對比顯示（圖3F），該器件在5.4千赫茲處達56dB·mW?1·cm?1，較無腔體狀態提升107%。
圖4 腔體中LSG器件熱聲共振的仿真模擬和測量分析
研究團隊創新性提出了熱聲共振的物理模型（圖4）：區別于傳統揚聲器的機械振膜發聲原理，石墨烯器件通過焦耳熱激發空氣振動（圖4A），實現100%空間利用率。實驗測試表明螺旋腔體中的聲傳播路徑等效于直腔高度（圖4B、C），其諧振頻率隨腔體總尺寸增大而降低，當總尺寸從28毫米增至42毫米時，諧振峰f6從12.8千赫茲降至5.3千赫茲（圖4H）。通過構建聲場分布模型（圖4D、G），實現了聲壓級仿真與實測數據的高度吻合（圖4F、I），驗證了該理論模型的適用性。
圖5 頻率可調聲音放大的LSG耳機的可穿戴應用
如圖5所示，研究團隊采用光固化3D打印技術，制造出類海螺的腔體耳機。通過調節螺旋腔體高度精準控制諧振頻率，實測表明，該器件在1千赫茲和10千赫茲頻段附近實現明顯的共振增強，整體聲壓較開放環境傳統提升顯著，為智能助聽設備產業化提供了可能性。
相關研究成果以“基于石墨烯熱聲共振腔體的可調頻聲音增強研究”（Frequency-tunable sound amplification in a conch-like cavity with graphene thermoacoustic resonance）為題，于6月4日發表于《科學進展》（Science Advances）。
華東師范大學通信與電子工程學院副教授韋雨宏，清華大學集成電路學院2023級博士生郭展鋒、材料學院工程師林濤等為論文共同第一作者，清華大學集成電路學院教授任天令，副教授田禾、楊軼以及清華大學信息國家研究中心副研究員陶璐琪為論文通訊作者。
《MEMS揚聲器專利態勢分析-2022版》
《微機械超聲換能器專利態勢分析-2023版》
