【產(chǎn)通社，7月3日訊】清華大學(xué)新聞中心（Tsinghua University News Center）官網(wǎng)消息，其集成電路學(xué)院任天令教授團隊合作報道了一種結(jié)合石墨烯與3D打印腔體的可穿戴聲學(xué)器件，通過熱聲共振機制實現(xiàn)了諧振頻率可調(diào)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(shè)計了一種結(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)實現(xiàn)熱聲共振，其諧振頻率可調(diào)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(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，實現(xiàn)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(fā)提供了新思路。

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。該裝置將超薄石墨烯熱聲器件集成于腔體入口，通過獨創(chuàng)的螺旋腔體設(shè)計實現(xiàn)熱聲共振放大機制：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→亥姆霍茲腔增強聲壓。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)耳機殼體，為柔性聲學(xué)薄膜揚聲器在智能助聽設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新路徑。

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(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。掃描電鏡顯示LSG表面均勻平整，截面呈現(xiàn)50微米厚三層柔性結(jié)構(gòu)。拉曼光譜表明激光處理后出現(xiàn)多層石墨烯特征峰。

研究團隊創(chuàng)新性提出了熱聲共振的物理模型：區(qū)別于傳統(tǒng)揚聲器的機械振膜發(fā)聲原理，石墨烯器件通過焦耳熱激發(fā)空氣振動，實現(xiàn)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，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。通過構(gòu)建聲場分布模型，實現(xiàn)了聲壓級仿真與實測數(shù)據(jù)的高度吻合，驗證了該理論模型的適用性。

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)進展》（Science Advances）。

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