研究背景
一百多年前，Arnold 和 Crandall 制备了热声器，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，随着新兴的二维材料的出现，由于其出色的热导率，使其有望作为一种新型热声声源。与传统扬声器相比，这类材料具有更高的柔性、超薄的厚度、优异的电子迁移率以及较低的热容等优势。在二维材料的声波产生过程中，可以观察到热声效应的存在：导电材料表面在周期性电压作用下产生焦耳热，这种周期性热量释放到空气中，驱动空气分子的周期性运动，从而产生声波。
近年来，一些纳米结构材料，如碳纳米管薄膜、纳米线、钨纳米桥以及MXene等，也因其低成本、自支撑结构和良好的柔性特性而受到关注。研究人员将碳纳米管薄膜引入热声设备，并测得其声压级比传统金属基热声设备高出一个到两个数量级，展现了纳米材料在热声效应中的应用潜力。在所有材料中，以石墨烯为代表的碳基材料表现出巨大潜力。作为目前最薄的二维材料，石墨烯不仅具有优异的电导率、机械强度和热导率，还具备良好的生物相容性。因此，这些超薄柔性的发声膜已被广泛研究，应用于耳机、扬声器以及人工喉等领域。
对声源设备来说，最关键的性能指标是高声压级和宽频谱响应。然而，目前的热声声源在性能方面仍存在一些问题。例如，有研究制备了基于铝纳米线的点热声器件，其在20 kHz范围内实现了较平坦的功率谱，最大声压级达到67 dB，且波动小于±3 dB。然而，该器件使用了硅片基底，无法满足柔性化要求，且释放状态下的铝纳米线结构稳定性差、难以标准化。
相比之下，基于石墨烯的柔性热声声源能够实现平坦且宽频的声谱响应。已有研究开发出一种石墨烯耳机，不仅能播放高达50 kHz的声音，并且其声压级波动比商业耳机低三倍，既适用于人类也适用于动物。然而，由于热声装置的声压级与频率正相关，其在低频段的性能相对较低。为改善这一问题，有研究设计了一种多通道扬声器系统，包含三个热声共振器和一个开放式热声扬声器，在1.2 kHz这一特定低频段实现了超过10 dB的声压增强。但由于共振器数量较多，占据空间大，不利于设备的集成化和小型化发展，同时不同共振器的制备工艺也增加了器件制造的复杂性。
此外，还有研究系统量化了碳纳米管器件的能量损耗机制，指出热传导损耗、热辐射损耗以及声阻抗不匹配是限制二维热声器件效率的关键因素。因此，除了优化器件本身结构外，提升热声性能、特别是在低频段的性能，已成为亟需解决的课题。
研究内容
在本研究中，清华大学集成电路学院任天令(Tian-Ling Ren)教授团队的田禾、杨轶以及信息国家研究中心陶璐琪携手在Science Advances期刊上发表了题为“Frequency-tunable sound amplification in a conch-like cavity with graphene thermoacoustic resonance”的最新论文。该团队展示了一种用于石墨烯热声共振的螺旋型“海螺”声腔。该装置基于激光刻写技术制备了激光刻写石墨烯膜（LSG），可贴附于声腔的入口处，作为柔性二维热声声源使用。
所设计的螺旋形放大声腔灵感来源于海螺的声波放大功能，并通过3D打印的光固化立体光刻技术进行加工，以实现声共振增强。当电压信号加于LSG器件上时，声波由LSG激发并在腔体内向前传播。该腔体的共振频率可调，主要由腔体的高度决定。与传统的商业耳机腔体相比，所设计的“海螺式”亥姆霍兹共振腔在声学共振方面具有更显著的增强效果。商业耳机由于其声源单元较大，包含磁铁和线圈，且无螺旋结构，使声波在腔体中传播路径较短，声学共振效果受限。
图文导读
1. 本文首次将激光刻写石墨烯（LSG）与3D打印的海螺状螺旋声腔相结合，制备了一种柔性二维热声发射器，实现了低频段的声学共振增强，得到了可调谐的共振频率和显著提升的声压级。
2. 实验通过设计不同高度的声腔，验证了共振频率与声波传播路径距离成反比关系，发现当腔体高度由0毫米增至10毫米时，5.4千赫兹处声压级由32分贝提升至71分贝，显著增强了低频声压表现。
3. 通过将LSG器件安装于直腔与海螺式腔体中，系统测试了其热声发射性能，结果表明海螺状声腔能有效放大声波，提升声压级和频谱平坦性，优于传统的商业耳机腔体。
4. 利用激光刻写技术制备的石墨烯膜具备超薄、柔性、高电导率和优异热导率的特点，使其成为理想的二维热声声源，能够适应可穿戴设备的需求。
5. 最后，在商业人工耳系统中对可穿戴海螺状声腔耳机进行了测试，显示出在约1千赫兹和10千赫兹频率下的有效声压放大，展示了该设计在柔性扬声器领域的应用潜力。
图 1 | 低频放大海螺式亥姆霍兹共振腔中器件的工作机制及性能对比。
结论展望
本文的研究成果为二维材料在热声发声领域的应用提供了新的思路和技术路径。通过将激光刻写石墨烯与3D打印声腔相结合，实现了基于热声共振的声波放大，解决了传统二维热声发射器在低频段声压不足的问题。研究验证了共振频率与声波传播路径长度成反比的关系，为设计可调谐共振频率的柔性声学器件奠定了理论基础。此外，采用海螺状螺旋共振腔有效提升了低频声压，实现了更宽频带的声波放大，这不仅丰富了热声发声器件的结构设计，也拓展了其在可穿戴设备领域的实际应用潜力。该工作通过物理模型解析热声共振机理，深化了对二维热声器件声学性能调控的理解，为未来开发高性能、轻薄且灵活的智能声学器件提供了关键技术支持。总之，本文不仅推动了石墨烯等二维材料在声学领域的跨界应用，也为低频声学增强和柔性声源设计开辟了新的研究方向，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。
该文章发表在Science Advances上
文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adv2801
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