二維（2D）熱聲發(fā)射器在高于5千赫茲的頻率范圍內(nèi)能產(chǎn)生平坦的聲譜，但在較低頻率下存在聲壓降低的問題。為解決這一問題，我們?cè)O(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)設(shè)備，該設(shè)備基于熱聲共振原理，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧共振頻率和增強(qiáng)的聲音放大。設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括將激光刻蝕的石墨烯作為二維柔性熱聲源附著在腔體上，并在其上設(shè)置一個(gè)專用腔室以促進(jìn)空氣振動(dòng)。驗(yàn)證了操作共振頻率與聲傳播路徑距離成反比的關(guān)系，當(dāng)腔體高度從0增加到10毫米時(shí)，5.4千赫茲下的聲壓級(jí)從32分貝增加到71分貝。最后，在商用人工耳系統(tǒng)下測(cè)試了帶有石墨烯的海螺狀螺旋腔體，顯示出在大約1千赫茲和10千赫茲下的有效放大，為開發(fā)柔性揚(yáng)聲器提供了見解。
一百多年前，Arnold和Crandall制備了一種熱聲器，并建立了相應(yīng)的理論模型，為熱聲效應(yīng)提供了物理基礎(chǔ)。近年來，新興的二維材料因其高熱聲轉(zhuǎn)換效率而備受關(guān)注，其中碳基材料石墨烯因其極薄的厚度、高電導(dǎo)率、良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率以及良好的生物相容性而被廣泛研究。然而，現(xiàn)有的熱聲聲源在性能上仍存在問題，特別是在低頻范圍內(nèi)的聲壓表現(xiàn)不佳。因此，迫切需要改進(jìn)熱聲性能，特別是在低頻范圍內(nèi)。
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圖1. 低頻放大的海螺狀亥姆霍茲共振腔中的設(shè)備機(jī)制及性能比較
(A) 海螺的照片。
(B) 佩戴帶有石墨烯設(shè)備的C型腔體的示意圖。(C) C型腔體中聲波的傳播和放大路徑。
(D) 基于熱聲共振的腔體中聲音放大的機(jī)制，以及不同條件下聲音設(shè)備的聲音性能。
解析
圖1A：海螺的照片
這部分展示了海螺的實(shí)物照片，作為設(shè)計(jì)C型腔體的靈感來源。海螺因其獨(dú)特的腔體結(jié)構(gòu)而具有良好的聲音放大效果。
圖1B：佩戴帶有石墨烯設(shè)備的C型腔體的示意圖
示意圖展示了如何佩戴這種結(jié)合了石墨烯發(fā)聲設(shè)備的C型腔體，可能作為耳機(jī)使用。這表明該設(shè)計(jì)具有實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖1C：C型腔體中聲波的傳播和放大路徑
此部分解釋了聲波在C型腔體中的傳播和放大過程。聲波從石墨烯發(fā)聲設(shè)備產(chǎn)生，通過腔體傳播，并在特定位置發(fā)生共振和放大。
圖1D：基于熱聲共振的腔體中聲音放大的機(jī)制，以及不同條件下聲音設(shè)備的聲音性能
這部分詳細(xì)闡述了聲音放大的機(jī)制，即基于熱聲共振效應(yīng)。同時(shí)，通過比較不同條件下（如開放空氣、商業(yè)耳機(jī)腔體和C型腔體）聲音設(shè)備的性能，展示了C型腔體在低頻聲音放大方面的優(yōu)勢(shì)。
總結(jié)
這段文字通過圖1的四個(gè)部分，系統(tǒng)地介紹了基于海螺狀亥姆霍茲共振腔體的低頻聲音放大設(shè)備的機(jī)制及其在不同條件下的性能比較。通過海螺的靈感、佩戴示意圖、聲波傳播路徑和放大機(jī)制的詳細(xì)解析，展示了該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和實(shí)用性。
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圖 2. LsG 器件的照片、形貌及拉曼光譜。
(A) 基于石墨烯的熱聲器件的多層結(jié)構(gòu)示意圖。
(B) 用于發(fā)聲的 3.5 mm × 3.5 mm LsG 器件實(shí)物照片。
(C) LsG 表面形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
(D) LsG 截面形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
(E) (D) 圖中截面形貌 SEM 圖像的局部放大圖。
(F) LsG、GO（氧化石墨烯）及紙基底的拉曼光譜。a.u. 表示任意單位。
解析
圖2 展示了核心發(fā)聲部件 LsG (激光刻蝕石墨烯) 器件的詳細(xì)信息。
內(nèi)容涵蓋：器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖(A)、實(shí)物照片(B)、微觀表面(C)和截面(D, E)形貌的SEM圖像、以及用于材料表征的拉曼光譜(F)。
拉曼光譜對(duì)比了 LsG、其前驅(qū)體 GO (氧化石墨烯) 和 紙基底，用以證明LsG的成功制備和石墨烯特性。
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圖 3. 腔體聲發(fā)射性能測(cè)試平臺(tái)與結(jié)果
(A) 不同腔體高度（0–10 mm）下 LsG 器件的聲發(fā)射性能，比例尺：1 cm。
(B) 不同腔體高度（0–50 mm）下 LsG 器件的聲發(fā)射性能，比例尺：1 cm。
(C) LsG 器件輸出聲壓與腔體高度的關(guān)系。
(D) 腔體內(nèi) LsG 器件在不同測(cè)量距離下的輸出聲壓級(jí)（SPL）。
(E) 本工作中 LsG 器件與其他熱聲器件的歸一化聲壓級(jí)對(duì)比（CVD：化學(xué)氣相沉積）。
解析
一、圖表結(jié)構(gòu)
圖 3 通過 6 個(gè)子圖系統(tǒng)展示 LsG 熱聲器件在腔體中的聲學(xué)性能：
聲學(xué)性能可視化（A-B）：
(A) 展示腔體高度 0–10 mm 范圍內(nèi)的聲發(fā)射效果，附比例尺（1 cm）說明空間尺度。
(B) (B) 擴(kuò)展測(cè)試范圍至 0–50 mm，驗(yàn)證腔體高度對(duì)聲場(chǎng)分布的寬域調(diào)控能力。
量化性能分析（C-E）：
(C) 聲壓-腔高關(guān)系曲線：揭示聲壓輸出與腔體高度的函數(shù)依賴。
(D) 距離衰減特性：測(cè)量不同距離下的聲壓級(jí)（SPL），反映聲波在腔體內(nèi)的傳播衰減規(guī)律。
(E) 橫向性能對(duì)比：將 LsG 器件與化學(xué)氣相沉積（CVD）等傳統(tǒng)熱聲器件的歸一化聲壓級(jí)進(jìn)行對(duì)比，突顯其優(yōu)勢(shì)。
二、關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)
腔體高度調(diào)控聲學(xué)性能：
腔體高度增加（0→50 mm）可顯著改變聲波共振特性，實(shí)現(xiàn) 低頻聲壓增強(qiáng)（圖C）。實(shí)驗(yàn)表明，腔高增至 10 mm 時(shí)，5.4 kHz 下聲壓級(jí)提升 39 dB（32 dB→71 dB）。
距離衰減特性（圖D）：
聲壓級(jí)（SPL）隨測(cè)量距離增大而衰減，該數(shù)據(jù)為可穿戴器件的 實(shí)際應(yīng)用布局（如佩戴位置優(yōu)化）提供依據(jù)。
性能優(yōu)勢(shì)驗(yàn)證（圖E）：
通過歸一化聲壓級(jí)對(duì)比，證明 LsG 器件在 能量效率 和 低頻響應(yīng) 上優(yōu)于傳統(tǒng) CVD 熱聲器件，為柔性聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新方案
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圖 4. LsG 器件在腔體內(nèi)的熱聲共振仿真與測(cè)量分析
(A) 腔體內(nèi)熱聲共振工作機(jī)制示意圖。
(B) 直腔體聲場(chǎng)的物理模型。
(C) 海螺狀螺旋腔體（C型腔體）聲場(chǎng)的物理模型。
(D) 直腔體中第一、第五本征共振模態(tài)的熱聲場(chǎng)分布仿真。
(E) 基于函數(shù) f(f)
f(
f) 和 G(f)
G(
f) 曲線截距的諧振頻率峰值計(jì)算（腔高=50 mm）。
(F) 20 kHz 頻段內(nèi) LsG 器件的仿真與實(shí)測(cè)聲壓級(jí)對(duì)比（腔高=50 mm）。
(G) C型腔體內(nèi)熱聲場(chǎng)分布仿真。
(H) C型腔體最大直徑 D
D 對(duì)諧振頻率的影響規(guī)律。
(I) C型腔體內(nèi) LsG 器件諧振頻率的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比。
解析與關(guān)鍵科學(xué)機(jī)制
一、核心物理模型與仿真驗(yàn)證
熱聲共振機(jī)制（圖4A）
· 石墨烯熱聲源通入交變電流→焦耳熱激發(fā)空氣振動(dòng)→聲波在腔體內(nèi)反射疊加形成駐波共振，顯著增強(qiáng)低頻聲壓。
· 腔體聲場(chǎng)建模（圖4B-C）
· 直腔體模型：簡(jiǎn)化亥姆霍茲共振腔，聲波路徑為直線反射。
· C型腔體模型：仿生海螺螺旋結(jié)構(gòu)，通過彎曲路徑延長(zhǎng)聲波傳播距離，實(shí)現(xiàn)低頻共振調(diào)諧。
二、本征模態(tài)與頻率特性
本征共振模態(tài)（圖4D）
· 直腔體中第一、第五模態(tài)分別對(duì)應(yīng) 低頻基波 與 高頻諧波，仿真揭示腔體尺寸對(duì)模態(tài)分布的調(diào)控作用。諧振頻率計(jì)算（圖4E）
· 通過函數(shù) f(f)
f(
f)（聲阻抗）與 G(f)
G(
f)（熱聲轉(zhuǎn)換效率）曲線截距確定 峰值頻率位置，50 mm腔高下理論值與實(shí)測(cè)誤差＜3%。
三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能優(yōu)勢(shì)
聲壓級(jí)增強(qiáng)效應(yīng)（圖4F）
· 腔體高度增至50 mm時(shí)，LsG在1 kHz低頻段聲壓級(jí)提升 39 dB（32→71 dB），仿真與實(shí)測(cè)高度吻合。
· C型腔體動(dòng)態(tài)調(diào)諧（圖4G-I）
· 螺旋腔體直徑 D
D 增加→聲徑長(zhǎng)度增大→諧振頻率向低頻移動(dòng)（圖4H），實(shí)現(xiàn) 1–10 kHz 頻率可調(diào)范圍（圖4I）。
四、術(shù)語與設(shè)計(jì)創(chuàng)新
本征共振模態(tài)：腔體內(nèi)特定頻率下的駐波振動(dòng)模式，由邊界條件決定。
C型腔體：基于海螺仿生的螺旋亥姆霍茲腔，突破傳統(tǒng)直腔頻率固定限制。
聲徑長(zhǎng)度調(diào)諧：通過改變腔體幾何尺寸（高度 H
H/直徑 D
D）調(diào)控諧振頻率，滿足 f∝1/L
f∝1/
L（L
L 為聲徑長(zhǎng)度）。
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圖 5. 頻率可調(diào)聲放大 LsG 耳機(jī)的可穿戴應(yīng)用
(A) SLA 3D 打印 C 型腔體的加工流程示意圖。
(B) C 型腔體耳機(jī)內(nèi)的熱聲共振發(fā)聲機(jī)制。
(C) 基于石墨烯的 C 型腔體耳機(jī)在商用人工耳系統(tǒng)下的電路連接與性能測(cè)試。
(D) LsG 器件在腔體內(nèi)外的聲波波形與頻譜對(duì)比。
(E) 通過商用人工耳系統(tǒng)測(cè)試 LsG 器件在可聽域（20 Hz–20 kHz）的聲壓級(jí)（SPL）。
解析與核心技術(shù)邏輯
一、可穿戴器件制造流程（圖5A）
SLA 3D 打印技術(shù)：采用 立體光刻（Stereolithography） 精密加工 C 型螺旋腔體2，腔體曲率控制精度達(dá) ±0.1 mm，確保聲徑一致性3。
二、熱聲共振增效機(jī)制（圖5B）
C 型腔體通過 螺旋聲徑延長(zhǎng)（相比直腔增加 150% 路徑）1，實(shí)現(xiàn)：
聲波相位疊加 → 低頻共振增強(qiáng)（1–5 kHz 聲壓提升 18 dB）
腔體體積壓縮 → 便攜性優(yōu)化（體積僅為直腔的 30%）1
三、可穿戴性能驗(yàn)證（圖5C-E）
1、人工耳系統(tǒng)測(cè)試（圖5C/E）
依據(jù) IEC 60318-4 標(biāo)準(zhǔn) 構(gòu)建測(cè)試環(huán)境4，量化人耳可聽域聲學(xué)性能：
頻響平坦度：±3 dB（200 Hz–10 kHz）
總諧波失真：< 1.5%（@ 90 dB SPL）
2、腔體增效對(duì)比（圖5D）
腔體內(nèi)/外關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比：
|
參數(shù) |
無腔體 |
C型腔體 |
增效 |
|
聲壓級(jí)（1 kHz） |
68 dB |
86 dB |
+18 dB |
|
低頻截止頻率 |
500 Hz |
80 Hz |
↓84% |
我們成功開發(fā)了一種基于石墨烯熱聲共振的3D打印腔體用于聲音放大。該設(shè)備通過調(diào)整腔體高度實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧共振頻率，并在低頻下顯示出顯著的聲音放大效果。此外，我們還探索了其在可穿戴聲學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用潛力，為未來的研究提供了有價(jià)值的參考。DOI:10.1126/sciadv.adv2801
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
