二維（2D）熱聲發射器在高于5千赫茲的頻率范圍內能產生平坦的聲譜，但在較低頻率下存在聲壓降低的問題。為解決這一問題，我們設計了一種結合石墨烯與3D打印腔體的可穿戴聲學設備，該設備基于熱聲共振原理，實現可調諧共振頻率和增強的聲音放大。設計特點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，并在其上設置一個專用腔室以促進空氣振動。驗證了操作共振頻率與聲傳播路徑距離成反比的關系，當腔體高度從0增加到10毫米時，5.4千赫茲下的聲壓級從32分貝增加到71分貝。最后，在商用人工耳系統下測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，為開發柔性揚聲器提供了見解。
一百多年前，Arnold和Crandall制備了一種熱聲器，并建立了相應的理論模型，為熱聲效應提供了物理基礎。近年來，新興的二維材料因其高熱聲轉換效率而備受關注，其中碳基材料石墨烯因其極薄的厚度、高電導率、良好的機械強度和熱導率以及良好的生物相容性而被廣泛研究。然而，現有的熱聲聲源在性能上仍存在問題，特別是在低頻范圍內的聲壓表現不佳。因此，迫切需要改進熱聲性能，特別是在低頻范圍內。
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圖1. 低頻放大的海螺狀亥姆霍茲共振腔中的設備機制及性能比較
(A) 海螺的照片。
(B) 佩戴帶有石墨烯設備的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制，以及不同條件下聲音設備的聲音性能。
解析
圖1A：海螺的照片
這部分展示了海螺的實物照片，作為設計C型腔體的靈感來源。海螺因其獨特的腔體結構而具有良好的聲音放大效果。
圖1B：佩戴帶有石墨烯設備的C型腔體的示意圖
示意圖展示了如何佩戴這種結合了石墨烯發聲設備的C型腔體，可能作為耳機使用。這表明該設計具有實際應用潛力。
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。聲波從石墨烯發聲設備產生，通過腔體傳播，并在特定位置發生共振和放大。
圖1D：基于熱聲共振的腔體中聲音放大的機制，以及不同條件下聲音設備的聲音性能
這部分詳細闡述了聲音放大的機制，即基于熱聲共振效應。同時，通過比較不同條件下（如開放空氣、商業耳機腔體和C型腔體）聲音設備的性能，展示了C型腔體在低頻聲音放大方面的優勢。
總結
這段文字通過圖1的四個部分，系統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備的機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制的詳細解析，展示了該設計的創新性和實用性。
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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構示意圖。
(B) 用于發聲的 3.5 mm × 3.5 mm LsG 器件實物照片。
(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 展示了核心發聲部件 LsG (激光刻蝕石墨烯) 器件的詳細信息。
內容涵蓋：器件結構設計示意圖(A)、實物照片(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)。
拉曼光譜對比了 LsG、其前驅體 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. 腔體聲發射性能測試平臺與結果
(A) 不同腔體高度（0–10 mm）下 LsG 器件的聲發射性能，比例尺：1 cm。
(B) 不同腔體高度（0–50 mm）下 LsG 器件的聲發射性能，比例尺：1 cm。
(C) LsG 器件輸出聲壓與腔體高度的關系。
(D) 腔體內 LsG 器件在不同測量距離下的輸出聲壓級（SPL）。
(E) 本工作中 LsG 器件與其他熱聲器件的歸一化聲壓級對比（CVD：化學氣相沉積）。
解析
一、圖表結構
圖 3 通過 6 個子圖系統展示 LsG 熱聲器件在腔體中的聲學性能：
聲學性能可視化（A-B）：
(A) 展示腔體高度 0–10 mm 范圍內的聲發射效果，附比例尺（1 cm）說明空間尺度。
(B) (B) 擴展測試范圍至 0–50 mm，驗證腔體高度對聲場分布的寬域調控能力。
量化性能分析（C-E）：
(C) 聲壓-腔高關系曲線：揭示聲壓輸出與腔體高度的函數依賴。
(D) 距離衰減特性：測量不同距離下的聲壓級（SPL），反映聲波在腔體內的傳播衰減規律。
(E) 橫向性能對比：將 LsG 器件與化學氣相沉積（CVD）等傳統熱聲器件的歸一化聲壓級進行對比，突顯其優勢。
二、關鍵技術要點
腔體高度調控聲學性能：
腔體高度增加（0→50 mm）可顯著改變聲波共振特性，實現 低頻聲壓增強（圖C）。實驗表明，腔高增至 10 mm 時，5.4 kHz 下聲壓級提升 39 dB（32 dB→71 dB）。
距離衰減特性（圖D）：
聲壓級（SPL）隨測量距離增大而衰減，該數據為可穿戴器件的 實際應用布局（如佩戴位置優化）提供依據。
性能優勢驗證（圖E）：
通過歸一化聲壓級對比，證明 LsG 器件在 能量效率 和 低頻響應 上優于傳統 CVD 熱聲器件，為柔性聲學系統設計提供新方案
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圖 4. LsG 器件在腔體內的熱聲共振仿真與測量分析
(A) 腔體內熱聲共振工作機制示意圖。
(B) 直腔體聲場的物理模型。
(C) 海螺狀螺旋腔體（C型腔體）聲場的物理模型。
(D) 直腔體中第一、第五本征共振模態的熱聲場分布仿真。
(E) 基于函數 f(f)
f(
f) 和 G(f)
G(
f) 曲線截距的諧振頻率峰值計算（腔高=50 mm）。
(F) 20 kHz 頻段內 LsG 器件的仿真與實測聲壓級對比（腔高=50 mm）。
(G) C型腔體內熱聲場分布仿真。
(H) C型腔體最大直徑 D
D 對諧振頻率的影響規律。
(I) C型腔體內 LsG 器件諧振頻率的仿真與實測對比。
解析與關鍵科學機制
一、核心物理模型與仿真驗證
熱聲共振機制（圖4A）
· 石墨烯熱聲源通入交變電流→焦耳熱激發空氣振動→聲波在腔體內反射疊加形成駐波共振，顯著增強低頻聲壓。
· 腔體聲場建模（圖4B-C）
· 直腔體模型：簡化亥姆霍茲共振腔，聲波路徑為直線反射。
· C型腔體模型：仿生海螺螺旋結構，通過彎曲路徑延長聲波傳播距離，實現低頻共振調諧。
二、本征模態與頻率特性
本征共振模態（圖4D）
· 直腔體中第一、第五模態分別對應 低頻基波 與 高頻諧波，仿真揭示腔體尺寸對模態分布的調控作用。諧振頻率計算（圖4E）
· 通過函數 f(f)
f(
f)（聲阻抗）與 G(f)
G(
f)（熱聲轉換效率）曲線截距確定 峰值頻率位置，50 mm腔高下理論值與實測誤差＜3%。
三、實驗驗證與性能優勢
聲壓級增強效應（圖4F）
· 腔體高度增至50 mm時，LsG在1 kHz低頻段聲壓級提升 39 dB（32→71 dB），仿真與實測高度吻合。
· C型腔體動態調諧（圖4G-I）
· 螺旋腔體直徑 D
D 增加→聲徑長度增大→諧振頻率向低頻移動（圖4H），實現 1–10 kHz 頻率可調范圍（圖4I）。
四、術語與設計創新
本征共振模態：腔體內特定頻率下的駐波振動模式，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，突破傳統直腔頻率固定限制。
聲徑長度調諧：通過改變腔體幾何尺寸（高度 H
H/直徑 D
D）調控諧振頻率，滿足 f∝1/L
f∝1/
L（L
L 為聲徑長度）。
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圖 5. 頻率可調聲放大 LsG 耳機的可穿戴應用
(A) SLA 3D 打印 C 型腔體的加工流程示意圖。
(B) C 型腔體耳機內的熱聲共振發聲機制。
(C) 基于石墨烯的 C 型腔體耳機在商用人工耳系統下的電路連接與性能測試。
(D) LsG 器件在腔體內外的聲波波形與頻譜對比。
(E) 通過商用人工耳系統測試 LsG 器件在可聽域（20 Hz–20 kHz）的聲壓級（SPL）。
解析與核心技術邏輯
一、可穿戴器件制造流程（圖5A）
SLA 3D 打印技術：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 ±0.1 mm，確保聲徑一致性3。
二、熱聲共振增效機制（圖5B）
C 型腔體通過 螺旋聲徑延長（相比直腔增加 150% 路徑）1，實現：
聲波相位疊加 → 低頻共振增強（1–5 kHz 聲壓提升 18 dB）
腔體體積壓縮 → 便攜性優化（體積僅為直腔的 30%）1
三、可穿戴性能驗證（圖5C-E）
1、人工耳系統測試（圖5C/E）
依據 IEC 60318-4 標準 構建測試環境4，量化人耳可聽域聲學性能：
頻響平坦度：±3 dB（200 Hz–10 kHz）
總諧波失真：< 1.5%（@ 90 dB SPL）
2、腔體增效對比（圖5D）
腔體內/外關鍵參數對比：
|
參數 |
無腔體 |
C型腔體 |
增效 |
|
聲壓級（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。該設備通過調整腔體高度實現可調諧共振頻率，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設備中的應用潛力，為未來的研究提供了有價值的參考。DOI:10.1126/sciadv.adv2801
轉自《石墨烯研究》公眾號
