传统织物在声学上主要用做吸声材料。虽然最新的基于纺织品的音频界面已实现主动发声，但是它们仍然面临以下两个挑战。第一是优秀的声学性能和良好可穿戴性之间的矛盾。其次是它们在非结构化条件下的鲁棒性不足，难以应对日常穿戴中的拉扯或汗水浸润等问题。
近日，澳门大学科技学院钟俊文教授团队提出了一种具备强鲁棒性的，全纺织结构的电磁型音频界面的设计策略。这种策略将传统基于振膜结构的电磁型扬声器柔性化，使其可穿戴性和鲁棒性得到极大的提升。相关成果以“Robust textile-based electromagnetic audio interfaces“ 为题，发表在Advanced materials上，澳门大学科技学院博士生管晓和本科生蓝天骏为论文共同第一作者，澳门大学科技学院钟俊文教授为唯一通讯作者。
（1）器件设计策略：
器件采用双层全织物结构设计，将热拉工艺制备的磁性纤维编织成磁性织物，作为振动层。将导电纤维数字化刺绣在普通织物上得到螺旋线圈，作为电磁感应层（图1A）。整个制备工艺兼容现代纺织技术，具备大规模生产和定制化的潜力。其工作原理基于电磁驱动，线圈在交变电流激励下产生交变磁场，磁性织物在交变磁场下受到洛伦磁力驱动发生振动，进而带动周边空气振动，实现发声功能。该器件表现较高且平坦的声压级响应（71.7±3.3 dB）。全织物结构设计赋予其天然的织物特征，比如柔软性，透气性（43.5 g⸳h−1m−2）和可洗性。结合柔性材料设计，异质材料间的机械互锁和可拉伸的结构设计，使其在极端机械应力条件下能够有效避免应力集中，和维持局部微振动，从而表现出优秀的机械鲁棒性。该研究通过集总参数模型对其工作机制中电-机-声能量转换进行理论建模，为关键参数优化比如编织方式，纤维直径，线圈几何参数等提供理论指导，并通过提高其振动幅度来缓解织物多孔结构导致的声耗散问题。
图 1. 织物扬声器的设计策略、结构、制造技术和关键性能对比。 A) 扬声器的结构设计示意图和基本工作原理 (i) 以及采用编织 (ii) 和数码刺绣 (iii)技术的主要制备过程。 B) 织物扬声器与现有柔性扬声器在综合性能方面的对比，涵盖鲁棒性、透气性、可扩展性与定制性、柔性、声压级及有效驱动电压等指标。各项性能按1至3分进行评价，3分为优秀，2分为可接受，1分则表示仍需改进。C) “发声帽子“的实物照片（i），其中集成了织物扬声器（ii）和音频放大器电路（iii）。
（2）应用展示：
基于其卓越的声学性能，可穿戴的舒适性和鲁棒性，该工作展示了其广泛的应用潜力，比如“发声帽子“，织物扬声器和蓝牙音频功放板被集成到帽子中，实现无线高音质音乐播放（图1C）；”发声衣服“ 将手语翻译成音频，通过织物扬声器输出，助力手语使用者交流（图2B）；”发声沙发“ 集成多声道的织物扬声器，实现沉浸式立体音效（图2C）。例外，织物扬声器展现了主动降噪的应用潜力（图2D和2E）。
图 2. 织物扬声器的应用。A) 声音保真度性能评估。输入为振幅恒定的20 Hz至20 kHz线性扫频信号，持续5秒。原始输入音频波形及其频谱（i）与本器件输出音频波形及频谱（ii）的对比。B) “发声衣服” 应用展示，协助手语使用者与他人沟通。C) “发声沙发”应用展示，其中多声道扬声器和音频放大器电路板与沙发集成，提供更加沉浸式立体声效。D) 主动降噪功能示意图。E) 主动降噪和被动降噪配置下的声压级差异对比。
（3）总结
该研究提出了一种将普通织物转变为高性能、强鲁棒性的音频接口的策略，有效地解决了可穿戴音频设备在声学性能、可穿戴舒适性和复杂环境下的鲁棒性不可兼容的难题。该研究系统评估了器件的综合性能，并且成功验证了器件整合与日常织物集成的可行性。同时该策略兼容大规模纺织技术，为下一代可穿戴音频设备走向实际应用提供切实可行的技术路径。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202508022
通讯简介：
钟俊文博士，澳门大学科技学院机电工程系助理教授、博士生导师，长期从事柔性机电传感器/执行器领域相关的基础与应用研究。以第一/通讯作者身份在Science Robotics、Nature Communications、IEEE T-RO、Advanced Materials等知名期刊发表论文60余篇。研究工作获得青年科学基金项目B类（原国家优青）、基金委-澳门联合项目、科技部-澳门联合项目等资助。本课题组长期招聘具有机械工程、电子信息技术、材料科学与工程等学术背景的博士生和博士后。有意者请发送简历至：junwenzhong@um.edu.mo。
相关进展
澳门大学钟俊文课题组 Adv. Mater.：用于盲文-语音转译的静电型智能织物
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