软体电子器件因其可持续变形与对复杂动态环境的顺应性，在可穿戴健康监测、人机交互与柔性声学系统等方向具有重要应用前景。然而，现有柔性声学器件在低频段声学发射与感知方面仍存在性能与集成上的瓶颈，尤其是在语音与电子听诊高度相关的约1 kHz频段，输出与可控选择性增强能力亟待提升。此外，声音的发声与传感常以分离式实现，系统集成复杂且难以在可穿戴场景下实现频段匹配与协同工作。
近日，中山大学生物医学工程学院周建华教授/乔彦聪副教授团队面向可穿戴语音增强与电子听诊等应用需求，联合清华大学集成电路学院任天令教授团队，受青蛙声囊启发，提出一种连续可调谐振频率的石墨烯柔性声学系统（Resonance-adjustable graphene sound device, RAGSD），实现发声与感知的一体化与频段可调协同。
2025年12月17日，研究成果以“Frog Vocal Sacs-Inspired Soft Acoustic System with Continuously Tunable Resonance for Sound Emission and Stethoscopic Sensing”为题发表于Science Advances。硕士研究生刘楚亭为论文第一作者。
仿生设计：将“声囊充气调谐”引入软声学器件
雄蛙通过声囊充气形成可调谐振腔，对特定频段进行选择性增强。研究团队将激光诱导石墨烯（LIG）与可变形弹性腔体集成，通过调节腔体体积实现谐振频率连续可调，实现了收发一体可调频电声系统(RAGSD)：谐振频率覆盖922.12–1762.90 Hz，调谐范围达91.18%；并首次建立动态连续可调的电-机-声类比模型（DCT-EMA），对谐振频率预测精度达到R²=0.990。该设计为“单器件同时兼具发声与听诊感知”的柔性声学平台奠定了结构与理论基础。
图1. RAGSD结构示意与材料表征：青蛙声囊启发、器件剖面与LIG的SEM/Raman/XPS 表征。
发声端：谐振增强实现语音频段选择性放大
在热致发声模式下，RAGSD相比非谐振对照结构在目标频段呈现显著的谐振选择性增强：在谐振腔体充入15 mL气体时（约1.2 kHz），声压级提升21.70 dB（声压约12.19倍），谐振峰处最高增益达25.34 dB。除充气体积外，研究还通过充气介质与器件结构参数实现多维调控：不同气体可引起谐振频率偏移，其中氦气在相同体积下较空气进一步提升3.64 dB；同时，改变器件尺寸/膜厚可将谐振频率向低频或高频方向移动，从而扩展可用工作带宽。
图2. 发声性能与谐振调谐：谐振频率-充气体积关系、谐振结构带来的频域SPL增益与不同发声测试条件。
传感端：谐振匹配增强弱心音，为可穿戴听诊提供高信噪方案
在听诊感知模式下，器件利用LIG的压阻效应读出实现声学信号的敏感转换，并通过谐振匹配对弱的高频病理心音成分进行选择性增强，从而提升可穿戴听诊在复杂噪声环境下的有效信息占比，为后续智能识别提供更清晰的输入。
图3. 传感性能与谐振增益：标准声源激励下的频域响应对比、谐振增益随体积变化与关键灵敏度/稳定性性能表征。
理论建模：DCT-EMA统一刻画“充气变形-等效参数-谐振频率”
针对可形变腔体在充气过程中从平面向球冠形态的非线性大变形，研究构建了DCT-EMA等效电路框架，将机械、电学与声学过程耦合映射，实现对腔体体积变化、等效电感/电容变化及谐振频率漂移的统一预测，并与实验数据进行验证，为软体结构声学器件的可设计、可预测与可优化提供了模型工具。
图4. DCT-EMA框架与验证：等效电路、充气过程示意、预测-实测谐振频率一致性等验证。
一体化应用演示：从“语音增强”到“可穿戴智能听诊”
研究进一步展示了RAGSD的双功能：一方面在不同充气体积下实现音频片段的频谱可控增强；另一方面在可穿戴形态下采集健康者与患者心音，并与商用电子听诊器进行对比，验证其在关键频段增强与可穿戴采集方面的可用性。
图5. 双功能演示与可穿戴系统：不同体积下音频发声谱图、VSD心音对比、可穿戴系统展示与健康/病理心音时频图等测试。
智能识别：与AuscNet-H协同实现高准确率分类
在算法端，研究将采集到的心音信号进行滤波、归一化与短时傅里叶变换（STFT）谱图化处理，并输入深度学习网络 AuscNet-H。结果显示：系统在四类临床心音分类中达到99.375%的准确率；在充气工作条件下实现无假阴性（降低漏诊风险），并在相似疾病的区分上相较商用电子听诊器误分更少。
图6. 算法流程与分类效果：预处理-谱图-网络工作流、特征可分性投影、训练曲线与混淆矩阵等数据展示。
该研究得到了国家自然科学青年基金、深圳市医学研究专项资金青年项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市优秀科技创新人才培养项目、中山大学医工融合种子基金、广东省传感技术与生物医学仪器重点实验室的支持。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz5930
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