二维（2D）热声发射器在高于5千赫兹的频率范围内能产生平坦的声谱，但在较低频率下存在声压降低的问题。为解决这一问题，我们设计了一种结合石墨烯与3D打印腔体的可穿戴声学设备，该设备基于热声共振原理，实现可调谐共振频率和增强的声音放大。设计特点包括将激光刻蚀的石墨烯作为二维柔性热声源附着在腔体上，并在其上设置一个专用腔室以促进空气振动。验证了操作共振频率与声传播路径距离成反比的关系，当腔体高度从0增加到10毫米时，5.4千赫兹下的声压级从32分贝增加到71分贝。最后，在商用人工耳系统下测试了带有石墨烯的海螺状螺旋腔体，显示出在大约1千赫兹和10千赫兹下的有效放大，为开发柔性扬声器提供了见解。
       一百多年前，Arnold和Crandall制备了一种热声器，并建立了相应的理论模型，为热声效应提供了物理基础。近年来，新兴的二维材料因其高热声转换效率而备受关注，其中碳基材料石墨烯因其极薄的厚度、高电导率、良好的机械强度和热导率以及良好的生物相容性而被广泛研究。然而，现有的热声声源在性能上仍存在问题，特别是在低频范围内的声压表现不佳。因此，迫切需要改进热声性能，特别是在低频范围内。
  
图1. 低频放大的海螺状亥姆霍兹共振腔中的设备机制及性能比较‌
(A) 海螺的照片。
(B) 佩戴带有石墨烯设备的C型腔体的示意图。(C) C型腔体中声波的传播和放大路径。
(D) 基于热声共振的腔体中声音放大的机制，以及不同条件下声音设备的声音性能。
解析‌
图1A：海螺的照片
这部分展示了海螺的实物照片，作为设计C型腔体的灵感来源。海螺因其独特的腔体结构而具有良好的声音放大效果。‌
图1B：佩戴带有石墨烯设备的C型腔体的示意图
示意图展示了如何佩戴这种结合了石墨烯发声设备的C型腔体，可能作为耳机使用。这表明该设计具有实际应用潜力。‌
图1C：C型腔体中声波的传播和放大路径
此部分解释了声波在C型腔体中的传播和放大过程。声波从石墨烯发声设备产生，通过腔体传播，并在特定位置发生共振和放大。‌
图1D：基于热声共振的腔体中声音放大的机制，以及不同条件下声音设备的声音性能
这部分详细阐述了声音放大的机制，即基于热声共振效应。同时，通过比较不同条件下（如开放空气、商业耳机腔体和C型腔体）声音设备的性能，展示了C型腔体在低频声音放大方面的优势。
总结
这段文字通过图1的四个部分，系统地介绍了基于海螺状亥姆霍兹共振腔体的低频声音放大设备的机制及其在不同条件下的性能比较。通过海螺的灵感、佩戴示意图、声波传播路径和放大机制的详细解析，展示了该设计的创新性和实用性。
  
图 2. LsG 器件的照片、形貌及拉曼光谱。‌
(A) 基于石墨烯的热声器件的多层结构示意图。
(B) 用于发声的 3.5 mm × 3.5 mm LsG 器件实物照片。
(C) LsG 表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像。
(D) LsG 截面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像。
(E) (D) 图中截面形貌 SEM 图像的局部放大图。
(F) LsG、GO（氧化石墨烯）及纸基底的拉曼光谱。a.u. 表示任意单位。
解析
图2 展示了核心发声部件 ‌LsG (激光刻蚀石墨烯) 器件‌的详细信息。
内容涵盖：器件结构设计示意图(A)、实物照片(B)、微观表面(C)和截面(D, E)形貌的SEM图像、以及用于材料表征的拉曼光谱(F)。
拉曼光谱对比了 ‌LsG‌、其前驱体 ‌GO (氧化石墨烯)‌ 和 ‌纸基底‌，用以证明LsG的成功制备和石墨烯特性。
 
 
图 3. 腔体声发射性能测试平台与结果‌
(A) 不同腔体高度（0–10 mm）下 LsG 器件的声发射性能，比例尺：1 cm。
(B) 不同腔体高度（0–50 mm）下 LsG 器件的声发射性能，比例尺：1 cm。
(C) LsG 器件输出声压与腔体高度的关系。
(D) 腔体内 LsG 器件在不同测量距离下的输出声压级（SPL）。
(E) 本工作中 LsG 器件与其他热声器件的归一化声压级对比（CVD：化学气相沉积）。
解析
一、图表结构
图 3 通过 ‌6 个子图‌系统展示 LsG 热声器件在腔体中的声学性能：
‌声学性能可视化‌（A-B）：
(A) 展示腔体高度 ‌0–10 mm‌ 范围内的声发射效果，附比例尺（1 cm）说明空间尺度。
(B) (B) 扩展测试范围至 ‌0–50 mm‌，验证腔体高度对声场分布的宽域调控能力。
‌量化性能分析‌（C-E）：
(C) ‌声压-腔高关系曲线‌：揭示声压输出与腔体高度的函数依赖。
(D) ‌距离衰减特性‌：测量不同距离下的声压级（SPL），反映声波在腔体内的传播衰减规律。
(E) ‌横向性能对比‌：将 LsG 器件与化学气相沉积（CVD）等传统热声器件的归一化声压级进行对比，突显其优势。
二、关键技术要点
‌腔体高度调控声学性能‌：
腔体高度增加（0→50 mm）可显著改变声波共振特性，实现 ‌低频声压增强‌（图C）。实验表明，腔高增至 10 mm 时，5.4 kHz 下声压级提升 ‌39 dB‌（32 dB→71 dB）。
‌距离衰减特性‌（图D）：
声压级（SPL）随测量距离增大而衰减，该数据为可穿戴器件的 ‌实际应用布局‌（如佩戴位置优化）提供依据。
‌性能优势验证‌（图E）：
通过归一化声压级对比，证明 LsG 器件在 ‌能量效率‌ 和 ‌低频响应‌ 上优于传统 CVD 热声器件，为柔性声学系统设计提供新方案
 
 
图 4. LsG 器件在腔体内的热声共振仿真与测量分析‌
(A) 腔体内热声共振工作机制示意图。
(B) 直腔体声场的物理模型。
(C) 海螺状螺旋腔体（C型腔体）声场的物理模型。
(D) 直腔体中第一、第五本征共振模态的热声场分布仿真。
(E) 基于函数 f(f)f(f) 和 G(f)G(f) 曲线截距的谐振频率峰值计算（腔高=50 mm）。
(F) 20 kHz 频段内 LsG 器件的仿真与实测声压级对比（腔高=50 mm）。
(G) C型腔体内热声场分布仿真。
(H) C型腔体最大直径 DD 对谐振频率的影响规律。
(I) C型腔体内 LsG 器件谐振频率的仿真与实测对比。
解析与关键科学机制
一、核心物理模型与仿真验证‌
热声共振机制‌（图4A）
· 石墨烯热声源通入交变电流→焦耳热激发空气振动→声波在腔体内反射叠加形成驻波共振，显著增强低频声压。
· ‌腔体声场建模‌（图4B-C）
· ‌直腔体模型‌：简化亥姆霍兹共振腔，声波路径为直线反射。
· ‌C型腔体模型‌：仿生海螺螺旋结构，通过弯曲路径延长声波传播距离，实现低频共振调谐。
二、本征模态与频率特性‌
本征共振模态‌（图4D）
· 直腔体中第一、第五模态分别对应 ‌低频基波‌ 与 ‌高频谐波‌，仿真揭示腔体尺寸对模态分布的调控作用。‌谐振频率计算‌（图4E）
· 通过函数 f(f)f(f)（声阻抗）与 G(f)G(f)（热声转换效率）曲线截距确定 ‌峰值频率位置‌，50 mm腔高下理论值与实测误差＜3%。

三、实验验证与性能优势

‌声压级增强效应‌（图4F）

· 腔体高度增至50 mm时，LsG在1 kHz低频段声压级提升 ‌39 dB‌（32→71 dB），仿真与实测高度吻合。
· ‌C型腔体动态调谐‌（图4G-I）
· 螺旋腔体直径 DD 增加→声径长度增大→谐振频率向低频移动（图4H），实现 ‌1–10 kHz 频率可调范围‌（图4I）。
四、术语与设计创新‌
本征共振模态‌：腔体内特定频率下的驻波振动模式，由边界条件决定。‌
C型腔体‌：基于海螺仿生的螺旋亥姆霍兹腔，突破传统直腔频率固定限制。‌
声径长度调谐‌：通过改变腔体几何尺寸（高度 HH/直径 DD）调控谐振频率，满足 f∝1/Lf∝1/L（LL 为声径长度）。
  
图 5. 频率可调声放大 LsG 耳机的可穿戴应用‌
(A) SLA 3D 打印 C 型腔体的加工流程示意图。
(B) C 型腔体耳机内的热声共振发声机制。
(C) 基于石墨烯的 C 型腔体耳机在商用人工耳系统下的电路连接与性能测试。
(D) LsG 器件在腔体内外的声波波形与频谱对比。
(E) 通过商用人工耳系统测试 LsG 器件在可听域（20 Hz–20 kHz）的声压级（SPL）。
解析与核心技术逻辑
一、可穿戴器件制造流程（图5A）
‌SLA 3D 打印技术‌：采用 ‌立体光刻（Stereolithography）‌ 精密加工 C 型螺旋腔体2，腔体曲率控制精度达 ±0.1 mm，确保声径一致性3。
二、热声共振增效机制（图5B）
C 型腔体通过 ‌螺旋声径延长‌（相比直腔增加 150% 路径）1，实现：
声波相位叠加 → ‌低频共振增强‌（1–5 kHz 声压提升 18 dB）
腔体体积压缩 → ‌便携性优化‌（体积仅为直腔的 30%）1
三、可穿戴性能验证（图5C-E）
1、‌人工耳系统测试‌（图5C/E）
依据 ‌IEC 60318-4 标准‌ 构建测试环境4，量化人耳可听域声学性能：
频响平坦度：±3 dB（200 Hz–10 kHz）
总谐波失真：< 1.5%（@ 90 dB SPL）
2、‌腔体增效对比‌（图5D）
腔体内/外关键参数对比：

‌参数	‌无腔体	‌C型腔体	‌增效
声压级（1 kHz）	68 dB	86 dB	‌+18 dB
低频截止频率	500 Hz	80 Hz	‌↓84%

 
       我们成功开发了一种基于石墨烯热声共振的3D打印腔体用于声音放大。该设备通过调整腔体高度实现可调谐共振频率，并在低频下显示出显著的声音放大效果。此外，我们还探索了其在可穿戴声学设备中的应用潜力，为未来的研究提供了有价值的参考。DOI:10.1126/sciadv.adv2801

转自《石墨烯研究》公众号