【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)合作報道了一種結(jié)合石墨烯與3D打印腔體的可穿戴聲學(xué)器件，通過熱聲共振機(jī)制實(shí)現(xiàn)了諧振頻率可調(diào)諧與聲壓增強(qiáng)。
 

　　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(shè)計(jì)了一種結(jié)合石墨烯與3D打印腔體的可穿戴聲學(xué)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(yīng)釋放焦耳熱引發(fā)空氣振動形成聲音，經(jīng)過腔體內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱聲共振，其諧振頻率可調(diào)并增強(qiáng)了共振聲壓。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了器件工作的諧振頻率與聲傳播路徑距離的反比關(guān)系：當(dāng)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(tǒng)測試中，實(shí)現(xiàn)1千赫茲與10千赫茲雙頻點(diǎn)的有效聲放大，為柔性揚(yáng)聲器開發(fā)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(jī)制和性能對比
 

　　如圖1所示，受天然海螺殼體的聲學(xué)特性啟發(fā)，研究人員開發(fā)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(dú)創(chuàng)的螺旋腔體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)熱聲共振放大機(jī)制：熱聲轉(zhuǎn)換產(chǎn)生聲波→腔體出口聲阻抗變化引發(fā)聲波反射→反射波與原聲波形成共振→亥姆霍茲腔增強(qiáng)聲壓(圖1D)。性能測試表明，裝配有該仿生腔體的聲學(xué)器件在可聽頻域內(nèi)呈現(xiàn)多頻段增強(qiáng)效應(yīng)，聲壓提升效果顯著優(yōu)于開放環(huán)境及傳統(tǒng)耳機(jī)殼體，為柔性聲學(xué)薄膜揚(yáng)聲器在智能助聽設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新路徑(圖1E)。
 

圖2.LSG器件微觀形態(tài)和拉曼光譜圖像
 

　　圖2A為基于石墨烯的多層聲源器件結(jié)構(gòu)。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(dú)特的“三明治”結(jié)構(gòu)。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(chuàng)新在于超薄PU-LSG復(fù)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(xiàn)50微米厚三層柔性結(jié)構(gòu)(圖2D-E)。拉曼光譜表明激光處理后出現(xiàn)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(fā)射性能結(jié)果
 

　　石墨烯聲學(xué)器件及仿生腔體的增效機(jī)制獲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(圖3)：研究團(tuán)隊(duì)搭建了標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)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(shí)現(xiàn)39分貝到71分貝跨越式提升，并驗(yàn)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(nèi)諧振峰數(shù)量增至六個，基礎(chǔ)頻率f1由17.2千赫茲降至1.8千赫茲(圖3C-D)。研究證實(shí)了腔體高度，即聲波傳播距離，是影響諧振頻率的核心參數(shù)。性能對比顯示(圖3F)，該器件在5.4千赫茲處達(dá)56dB·mW?¹·cm?¹，較無腔體狀態(tài)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了熱聲共振的物理模型(圖4)：區(qū)別于傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的機(jī)械振膜發(fā)聲原理，石墨烯器件通過焦耳熱激發(fā)空氣振動(圖4A)，實(shí)現(xiàn)100%空間利用率。實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(gòu)建聲場分布模型(圖4D、G)，實(shí)現(xiàn)了聲壓級仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)的高度吻合(圖4F、I)，驗(yàn)證了該理論模型的適用性。
 

圖5.頻率可調(diào)聲音放大的LSG耳機(jī)的可穿戴應(yīng)用
 

　　如圖5所示，研究團(tuán)隊(duì)采用光固化3D打印技術(shù)，制造出類海螺的腔體耳機(jī)。通過調(diào)節(jié)螺旋腔體高度精準(zhǔn)控制諧振頻率，實(shí)測表明，該器件在1千赫茲和10千赫茲頻段附近實(shí)現(xiàn)明顯的共振增強(qiáng)，整體聲壓較開放環(huán)境傳統(tǒng)提升顯著，為智能助聽設(shè)備產(chǎn)業(yè)化提供了可能性。
 

　　相關(guān)研究成果以“基于石墨烯熱聲共振腔體的可調(diào)頻聲音增強(qiáng)研究”(Frequency-tunable sound amplification in a conch-like cavity with graphene thermoacoustic resonance)為題，于6月4日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。
 

　　華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院副教授韋雨宏，清華大學(xué)集成電路學(xué)院2023級博士生郭展鋒、材料學(xué)院工程師林濤等為論文共同第一作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授任天令，副教授田禾、楊軼以及清華大學(xué)信息國家研究中心副研究員陶璐琪為論文通訊作者。