清华大学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

近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队联合相关研究力量，提出了一种融合石墨烯材料与3d打印腔体结构的可穿戴声学器件，利用热声共振原理实现了频率可调谐和声压增强功能。

该研究聚焦于二维热声器件在高频段（5千赫兹以上）虽具备平坦声谱但低频声压较弱的问题，创新性地设计出一种结合激光直写石墨烯与螺旋腔体的柔性声学系统。该装置将石墨烯作为热声源贴附于仿海螺形螺旋腔底部，通过焦耳热激发空气振动产生声音，并借助腔体内螺旋结构实现热声共振，从而提升共振声压并实现频率调节。实验结果表明，器件的谐振频率与声传播路径长度呈反比关系：当腔体高度从0增加至10毫米时，在5.4千赫兹下声压级由32分贝升至71分贝。最终在人工耳蜗系统测试中，成功实现1千赫兹与10千赫兹双频点的有效声放大，为柔性扬声器技术发展提供了新方向。

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，受天然海螺壳声学特性的启发，研究人员开发出一种可穿戴式仿生亥姆霍兹共振腔（图1A-C）。该结构将超薄石墨烯热声器件集成于腔体入口处，通过独特的螺旋腔设计实现声波共振放大过程：热声转换生成声波→腔口阻抗变化引发反射→反射波与原波形成共振→亥姆霍兹腔进一步增强声压（图1D）。实验证明，该仿生结构在可听频段内具有多频增强效果，其声压提升能力显著优于开放环境及传统耳机壳体（图1E），为柔性薄膜扬声器在智能助听设备等场景的应用打开了新空间。

图2.LSG器件微观形态和拉曼光谱图像

图2A展示了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）为核心层，中间为聚氨酯柔性膜，底层为透气纸纤维基材，构成“三明治”式复合结构。制备流程包括氧化石墨烯涂覆、激光还原处理以及电极连接步骤，其中PU-LSG复合材料具备极薄特性，可贴合任意曲面，整体尺寸仅3.5×3.5毫米（图2B）。扫描电镜显示LSG表面均匀光滑（图2C），截面结构厚度约50微米，呈现三层分布特征（图2D-E）。拉曼光谱分析证实激光处理后形成了多层石墨烯特征峰（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

石墨烯声学器件与仿生腔体协同增效机制获得实验验证（图3）。研究团队搭建了标准测试系统（图3A），采用3D打印制造直腔体，底部集成LSG声源，顶部配置高灵敏麦克风。数据显示，随着腔体高度从0增至10毫米，5.4千赫兹下的声压级由39分贝跃升至71分贝，同时验证了声传播路径与谐振频率成反比的关系（图3B）。当腔体高度达到50毫米时，可听范围内出现六个谐振峰，基础频率f1从17.2千赫兹下降至1.8千赫兹（图3C-D）。研究表明，腔体高度即声波传播距离是影响谐振频率的关键因素。性能对比结果显示（图3F），在5.4千赫兹处声压级达到56dB·mW⁻¹·cm⁻¹，相较无腔状态提升了107%。

图4.腔体中LSG器件热声共振的仿真模拟和测量分析

研究团队构建了全新的热声共振物理模型（图4）。不同于传统扬声器依靠振膜机械振动发声的方式，该石墨烯器件通过焦耳热激发空气振动（图4A），实现空间利用率100%。实验结果表明，螺旋腔内的声传播路径等效于直腔高度（图4B、C），谐振频率随腔体总尺寸增大而降低，当尺寸从28毫米扩展至42毫米时，谐振峰f6由12.8千赫兹降至5.3千赫兹（图4H）。通过建立声场分布模型（图4D、G），实现了对声压级的仿真预测并与实测数据高度吻合（图4F、I），证明了理论模型的可靠性。

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，研究人员运用光固化3D打印工艺，制作出仿海螺腔体结构的耳机原型。通过调节螺旋腔的高度精确控制谐振频率，实测结果显示，该器件在1千赫兹和10千赫兹附近表现出明显共振增强效果，整体声压表现优于常规开放环境，为智能助听设备的产业化应用奠定了基础。

相关研究成果以“Frequency-tunable sound amplification in a conch-like cavity with graphene thermoacoustic resonance”（基于石墨烯热声共振腔体的可调频声音增强研究）为题，于6月4日发表于国际学术期刊《科学进展》（Science Advances）。

本论文共同第一作者包括华东师范大学通信与电子工程学院韦雨宏副教授、清华大学集成电路学院2023级博士生郭展锋、清华大学材料学院工程师林涛等。通讯作者为清华大学集成电路学院任天令教授、田禾副教授、杨轶副教授，以及清华大学信息国家研究中心陶璐琪副研究员。

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