集成电路学院任天令团队合作在基于石墨烯热声共振腔体的可调频声音增强研究上取得进展
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清华新闻网6月24日电 近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队合作报道了一种结合石墨烯与3D打印腔体的可穿戴声学器件，通过热声共振机制实现了谐振频率可调谐与声压增强。
该研究针对二维热声器件在5千赫兹以上频段声谱平坦但低频声压不足的问题，设计了一种结合石墨烯与3D打印腔体的可穿戴声学器件。该器件以激光直写石墨烯作为二维柔性热声源附着于海螺式螺旋腔体底部，基于热声效应释放焦耳热引发空气振动形成声音，经过腔体内部螺旋结构实现热声共振，其谐振频率可调并增强了共振声压。实验验证了器件工作的谐振频率与声传播路径距离的反比关系：当腔体高度从0增至10毫米时，5.4千赫兹频率下的声压级从32分贝提升至71分贝。最后在商用人工耳蜗系统测试中，实现1千赫兹与10千赫兹双频点的有效声放大，为柔性扬声器开发提供了新思路。
图1.低频放大的类海螺亥姆霍兹共振腔中的器件机制和性能对比
如图1所示，受天然海螺壳体的声学特性启发，研究人员开发出一种可穿戴式类海螺的亥姆霍兹共振腔（图1A-C）。该装置将超薄石墨烯热声器件集成于腔体入口，通过独创的螺旋腔体设计实现热声共振放大机制：热声转换产生声波→腔体出口声阻抗变化引发声波反射→反射波与原声波形成共振→亥姆霍兹腔增强声压（图1D）。性能测试表明，装配有该仿生腔体的声学器件在可听频域内呈现多频段增强效应，声压提升效果显著优于开放环境及传统耳机壳体，为柔性声学薄膜扬声器在智能助听设备等领域的应用开辟了新路径（图1E）。
图2.LSG器件微观形态和拉曼光谱图像
图2A为基于石墨烯的多层声源器件结构。该器件以激光直写石墨烯（LSG）为核心，中层为聚氨酯柔性膜，下层为透气纸纤维基底，形成独特的“三明治”结构。制备过程包括氧化石墨烯涂覆、激光还原及电极连接，其核心创新在于超薄PU-LSG复合体可贴附于任意曲面，器件尺寸仅3.5×3.5毫米（图2B）。扫描电镜显示LSG表面均匀平整（图2C），截面呈现50微米厚三层柔性结构（图2D-E）。拉曼光谱表明激光处理后出现多层石墨烯特征峰（图2F）。
图3.测试平台和LSG器件在直腔中的声音发射性能结果
石墨烯声学器件及仿生腔体的增效机制获实验验证（图3）：研究团队搭建了标准化测试平台（图3A），首先采用3D打印制备了直腔体，底部集成LSG声源，顶部配置高灵敏麦克风。实验表明，当腔体高度从0增至10毫米时，5.4千赫兹频率下的声压级实现39分贝到71分贝跨越式提升，并验证了声传播路径与谐振频率成反比（图3B）。随着腔体高度增至50毫米，可听域范围内谐振峰数量增至六个，基础频率f1由17.2千赫兹降至1.8千赫兹（图3C-D）。研究证实了腔体高度，即声波传播距离，是影响谐振频率的核心参数。性能对比显示（图3F），该器件在5.4千赫兹处达56dB·mW⁻¹·cm⁻¹，较无腔体状态提升107%。
图4.腔体中LSG器件热声共振的仿真模拟和测量分析
研究团队创新性提出了热声共振的物理模型（图4）：区别于传统扬声器的机械振膜发声原理，石墨烯器件通过焦耳热激发空气振动（图4A），实现100%空间利用率。实验测试表明螺旋腔体中的声传播路径等效于直腔高度（图4B、C），其谐振频率随腔体总尺寸增大而降低，当总尺寸从28毫米增至42毫米时，谐振峰f6从12.8千赫兹降至5.3千赫兹（图4H）。通过构建声场分布模型（图4D、G），实现了声压级仿真与实测数据的高度吻合（图4F、I），验证了该理论模型的适用性。
图5.频率可调声音放大的LSG耳机的可穿戴应用
如图5所示，研究团队采用光固化3D打印技术，制造出类海螺的腔体耳机。通过调节螺旋腔体高度精准控制谐振频率，实测表明，该器件在1千赫兹和10千赫兹频段附近实现明显的共振增强，整体声压较开放环境传统提升显著，为智能助听设备产业化提供了可能性。
相关研究成果以“基于石墨烯热声共振腔体的可调频声音增强研究”（Frequency-tunable sound amplification in a conch-like cavity with graphene thermoacoustic resonance）为题，于6月4日发表于《科学进展》（Science Advances）。
华东师范大学通信与电子工程学院副教授韦雨宏，清华大学集成电路学院2023级博士生郭展锋、材料学院工程师林涛等为论文共同第一作者，清华大学集成电路学院教授任天令，副教授田禾、杨轶以及清华大学信息国家研究中心副研究员陶璐琪为论文通讯作者。
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