北航《Nano Res》：带波纹石墨烯振膜的超高灵敏度光纤麦克风，用于语音识别

成果简介

为了避免意外背景噪声的干扰并获得高保真语音信号，语音识别迫切需要高灵敏度、平坦频率响应和高信噪比（SNR）的声学传感器。氧化石墨烯（GO）因其厚度可控、断裂强度高等优点而受到广泛关注。然而，由于不理想的初始应力导致的低机械灵敏度（SM）限制了 GO 材料在语音识别领域的性能。为了缓解上述问题，本文，北京航空航天大学 李成副教授、清华大学 吕瑞涛教授等在《Nano Res》期刊发表名为“Ultra-high sensitivity fiber optic microphone with corrugated graphene-oxide diaphragm for voice recognition”的论文，研究提出了具有环形波纹的GO膜片。通过皮秒激光加工的可重复使用铜模，实现了波纹 GO 膜片的制造和转移，从而实现了法布里-珀罗（F-P）声学传感器。

得益于波纹状GO膜片的结构优势F-P声学传感器具有高SM（43.70 nm/Pa@17 kHz）、平坦的频率响应（300-3500 Hz 内 -3.2 至 3.7 dB）和高 SNR（76.66 dB@1 kHz）。此外，进一步的声学测量还证明了其他优点，包括出色的频率检测分辨率（0.01 Hz）和高时间稳定性（90 分钟内输出相对变化小于 6.7%）。鉴于上述优点，带有波纹 GO 膜片的 F-P 声学传感器可作为声学检测和语音识别的高保真平台。结合深度残差学习框架，通过训练和测试制备的F-P声学传感器记录的数据，实现了 98.4% 的高识别准确率。

图文导读

图1、波纹氧化石墨薄膜F-P声传感器的制作过程示意图

图2、所提出传感器的结构和瓦楞最优参数的选择

图3、所提出的传感器的特性

图4、该传感器的声学测试结果

图5、该传感器的语音检测和识别性能

小结

本文，提出一种基于波纹氧化石墨烯振膜的超高灵敏度光纤麦克风，由于在GO振膜中引入了波纹结构，所制成的F-P声传感器具有高的SM (43.70 nm/Pa@ 17 kHz)，平坦的频率响应(在300 – 3500 Hz范围内- 3.2至3.7 dB)和高信噪比(76.66 dB@1 kHz)。此外，还测试了其他非凡的声传感性能，包括高时间稳定性(90分钟6.7%)和出色的频率检测分辨率(0.01 Hz)。此外，通过将基于波纹氧化石墨烯隔膜的F-P声传感器与152层残差CNN模型相结合，整体识别准确率达到98.4%，高于商用麦克风。这些结果表明，基于波纹氧化石墨烯隔膜的F-P声传感器在弱声传感和语音识别方面具有应用潜力。

文献：https://doi.org/10.1007/s12274-024-6686-2