中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
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(bào)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(guò)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(duì)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(wèn)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(xiě)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(dòng)形成聲音，經(jīng)過(guò)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(shí)，5.4千赫茲頻率下的聲壓級(jí)從32分貝提升至71分貝。最后在商用人工耳蝸系統(tǒng)測(cè)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(kāi)發(fā)提供了新思路。
圖1.低頻放大的類(lèi)海螺亥姆霍茲共振腔中的器件機(jī)制和性能對(duì)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(kāi)發(fā)出一種可穿戴式類(lèi)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(guò)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(cè)試表明，裝配有該仿生腔體的聲學(xué)器件在可聽(tīng)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(kāi)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(tīng)設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)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(xiě)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(guò)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(cè)試平臺(tái)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(cè)試平臺(tái)（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(shí)，5.4千赫茲頻率下的聲壓級(jí)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(tīng)域范圍內(nèi)諧振峰數(shù)量增至六個(gè)，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(duì)比顯示（圖3F），該器件在5.4千赫茲處達(dá)56dB·mW?1·cm?1，較無(wú)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(cè)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(guò)焦耳熱激發(fā)空氣振動(dòng)（圖4A），實(shí)現(xiàn)100%空間利用率。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，諧振峰f6從12.8千赫茲降至5.3千赫茲（圖4H）。通過(guò)構(gòu)建聲場(chǎng)分布模型（圖4D、G），實(shí)現(xiàn)了聲壓級(jí)仿真與實(shí)測(cè)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(lèi)海螺的腔體耳機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋腔體高度精準(zhǔn)控制諧振頻率，實(shí)測(cè)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(kāi)放環(huán)境傳統(tǒng)提升顯著，為智能助聽(tīng)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(jí)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(guó)家研究中心副研究員陶璐琪為論文通訊作者。
