設備低噪聲技術支撐“寧靜中國”建設

原文發表于《科技導報》2026 年第4 期 《 設備低噪聲技術助力“寧靜中國”建設 》

隨著城市化進程加速，設備噪聲污染成為社會生活噪聲治理的核心挑戰。《科技導報》邀請青島海爾智能技術研發有限公司超前創新中心工程師項紅熒撰寫文章，綜述了設備噪聲污染的治理路徑及降噪技術，提出前沿技術突破方向，建議通過“政策?技術?標準”三鏈融合，構建從物理靜音到心理寧靜的聲景生態，支撐“寧靜中國”建設落地。

近年來，營造寧靜環境被納入美麗中國建設的核心議題，成為生態文明的關鍵維度。社會生活噪聲是噪聲污染防治的重中之重。

根據《中華人民共和國噪聲污染防治法》（2021年12月24日通過，2022年6月5日起施行），社會生活噪聲是指“人為活動產生的除工業噪聲、建筑施工噪聲和交通運輸噪聲之外的干擾周圍生活環境的聲音”，包括住宅內設備運行噪聲、群體活動噪聲、室內裝修施工噪聲。其中設備作為重要噪聲源，主要包括：冷卻塔、風機、空調設備、音響設備、洗衣機、油煙機、電梯、水泵、通風設備等。2025年，深圳出臺的《社會生活噪聲管理技術規范》要求設備選型時優先考慮低噪聲設備。未來，隨著智能家居普及（如掃地機器人、人工智能（AI）空調），設備低噪聲治理將成為城市宜居性的核心指標。

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設備噪聲污染防治概況

設備噪聲結合其聲學特性可采用不同的噪聲治理路線，以家用設備為例，可劃分為2大類：

（1）強聲源設備（如破壁機、洗地機、吸油煙機等，典型聲壓級＞60 dB（A））：這類設備噪聲能量高，對環境和用戶干擾大，首要任務是通過源頭削減和傳播路徑阻隔實現聲壓級降低。

（2）弱聲源設備（如高端冰箱、酒柜等，典型聲壓級＜20 dB（A））：這類設備聲壓級雖然很低，但特定的、易被感知的聲學瑕疵（如音調性、粗糙度、波動度）會成為主要困擾，影響用戶舒適度與產品高端感，這類噪聲的治理路徑主要是優化聲品質。現代設備減振降噪技術已形成從源頭防控、路徑降噪到聲品質優化的完整體系，在社會生活噪聲控制方面實現了顯著效果。

1.1 源頭防控

源頭防控是噪聲治理最直接有效的降噪策略。主要控制方法如下，

（1）結構改進：優化齒輪齒形、提高加工精度，減少摩擦和碰撞噪聲；

（2）減振結構設計：在設備內部采用隔振結構或填充阻尼材料，降低機械振動；

（3）工藝改進：用低噪聲工藝替代高噪聲工藝，例如焊接替代鉚接；

（4）變頻技術應用：采用變頻驅動技術，減少設備啟停沖擊；

（5）結構形貌設計：優化風機葉片設計，降低氣流擾動；

（6）運行參數調整：合理調整設備轉速、負荷等運行參數，使設備運行在高效點降低噪聲。

1.2 路徑降噪

1.2.1 被動降噪

被動降噪（PNC）是通過物理材料或結構設計阻斷、吸收或反射聲波能量。其關鍵技術及應用如下，

（1）吸聲技術：采用多孔或黏彈性材料（例如泡沫、纖維）將聲能轉化為熱能，對聲能進行吸收，通過優化孔隙結構、運用新型材料，提高材料的吸聲性能；

（2）隔聲技術：高密度材料通過阻抗失配反射聲波，對聲波進行阻隔；

（3）消聲器技術：通過特定的聲學結構和材料，在允許氣流正常通過的同時，通過吸聲、反射、干涉等多種物理機制有效降低噪聲傳播的專業降噪裝置；

（4）隔振技術：指在振源和需要保護的設備或結構之間插入彈性元件（隔振器），以減弱或隔離振動傳遞的技術措施；

（5）阻尼技術：指通過特定的物理機制將振動系統的機械能轉化為熱能或其他形式的能量，從而使振動幅度減小的技術手段。

PNC技術具有可靠性高、維護簡單、成本相對較低等優勢，是噪聲控制工程中最基礎和最廣泛應用的技術手段。

1.2.2 主動降噪

主動噪音控制（ANC）技術是基于聲波干涉原理的實時噪聲抑制方法，其核心是通過產生與目標噪聲相位相反、幅值相等的“反相聲波”實現破壞性干涉。ANC因為其卓越的適用性和優秀的低頻段降噪能力而成為熱門的研究課題。雖然ANC解決了低頻噪聲的難題，但高頻噪聲抑制不足（需與被動技術結合）、硬件成本高、多場景自適應延遲等問題限制了其大規模應用。

1.3 聲品質優化

聲品質（SQ）技術是指通過心理聲學模型和信號處理方法，對聲音進行主觀感知優化和客觀參數控制的跨學科技術。該技術超越分貝限制，重構聲景舒適度。聲品質技術近年來受到多個行業的關注，但仍面臨評價的準確性、復雜聲環境的建模以及實時性要求等局限。

02

設備低噪聲前沿進展

2.1 聲學超材料

聲學超材料是一類通過人工精確設計的周期性或非周期性幾何結構單元構成的微結構，利用聲子帶隙、局域共振、超表面相位調控等機制實現聲波超常調控。聲學超結構能夠突破經典的質量作用定律，實現“輕質低頻”吸聲效果。國內外學者展開了大量研究，提出了多種類型的聲學超材料結構，以Helmholtz共振型超材料（圖1（a））、薄膜型超材料（圖1（b））為典型代表。

圖1 聲學超材料

Helmholtz共振型超材料通過周期性排列的彈性散射體，形成禁止特定頻率聲波傳播的帶隙，帶隙產生機理主要有Bragg散射原理和局域共振原理，Bragg散射原理是一種波動（例如聲波、電子波等）在周期性結構（例如晶體）中發生相干散射的現象，而局域共振機理主要是靠單個晶格（Helmholtz共振腔）的共振來消耗聲能量。

薄膜型聲學超材料可以看成一個“質量?彈簧”系統，薄膜相當于“彈簧”，附加在薄膜上的質量塊相當于“質量”，剛性框架用于固定施加了預緊力的薄膜。當“質量?彈簧”系統受彈性波作用時，系統將在諧振力作用下做簡諧振動。圖2所示為薄膜型聲學超材料在冰箱上的應用，總聲壓級比原始結構降低3.8 dB（A），在最大峰值800 Hz頻帶，聲壓級降低10 dB（A）。

圖2 薄膜型聲學超材料的應用

2.2 聲學黑洞

在研究楔形薄板結構聲波調控時發現，當結構的厚度按照一定的冪指數減小時，彎曲波的波速隨著厚度的減小而減小，在理想情況下，波速可減小為0，此時聲波不再反射，這種結構稱為聲學黑洞（ABH），如圖3所示。聲學黑洞結構具有耗能效率高、寬頻減振等特點。因此在減振降噪領域具備廣闊的應用前景。

圖3 聲學黑洞結構

一維ABH結構厚度變化h(x)滿足h(x) =εxm, m?2（ε：截面變化系數，m：冪指數），如圖4所示，當彎曲入射波由均勻部分傳播到聲學黑洞部分時，波長被壓縮，波動幅值逐漸增大。

圖4 一維ABH結構

研究表明，在截斷的一維聲學黑洞結構的尖端附近粘貼很少的阻尼材料，即可很好地降低由截斷引起的反射系數。在聲學黑洞中，截止頻率是指該結構能夠有效實現波導和能量聚集的最低頻率：

式中，hb為ABH厚度，LABH為ABH長度，Eb為材料彈性模量，ρb為材料密度。

聲學黑洞的結構參數、布置位置和阻尼層的厚度與面積對減振降噪效果起關鍵的作用。

圖5為二維聲學黑洞結構吸振器在船用隔膜真空泵的應用。聲學黑洞技術核心價值在于通過“結構替代材料”的思路實現輕量化減振。未來的發展需要深入探索聲學黑洞全頻段減振機制，通過結合局域共振型聲學超材料的低頻共振優勢與聲學黑洞效應，實現全頻帶高效減振降噪。

圖5 聲學黑洞應用

2.3 準零剛度隔振器

準零剛度隔振器核心思想是通過非線性彈性元件的巧妙設計，在平衡位置形成剛度趨近于0的非線性特性，可將系統固有頻率降至0.1~5.0 Hz，突破傳統線性隔振器的低頻隔振瓶頸（傳統隔振器固有頻率≥10 Hz）。準零剛度隔振器的剛度曲線如圖6所示。由圖6所示的剛度曲線可以看出，準零剛度隔振器屬于非線性系統，剛度隨著位移產生變化并具有高靜低動的特性；高靜態剛度可以使結構在靜力作用下保持足夠的承載能力，避免系統產生大位移，從而降低主體結構傾覆的可能性，同時低動態剛度可有效隔離低頻振動，提高系統的隔振性能。因此，準零剛度系統可以很好地克服傳統線性隔振系統穩定性和隔振性能之間的矛盾。

圖6 準零剛度隔振器剛度曲線

圖7是家電領域研究的一種壓縮機準零剛度腳墊，利用桿狀結構失穩和限位原理，通過控制受壓狀態非連續薄壁殼結構失穩以及設置限位柱實現。這類隔振器受到了國內外很多學者的關注，近年來，準零剛度隔振器的研究主要集中在2個方向：

• 一是對于自適應型隔振器結構或主動控制方面的拓展研究；

• 二是在原本各種準零隔振器結構的基礎上，進行多方向多自由度隔振平臺的設計。

此類創新結構可滿足精密及微納結構的高精度隔振需求，將成為未來振動控制領域的重要課題之一。

圖7 準零剛度隔振器

2.4 空氣動力仿生技術

空氣動力學聲學是研究氣流與聲波相互作用的交叉學科，主要關注由流體運動產生的噪聲及其傳播機制。隨著技術的不斷發展和進步，許多研究者從生物界獲得靈感，通過研究天空中靜音飛行的鳥類、水中游動的魚類，獲取有利于改善流體流動性能和降噪的特征元素，從而控制噪聲。

空氣動力仿生降噪優化設計過程：

（1）從生物界中選取生物在進化過程中形成的靜音飛行特征或者有利于流體流動的特征作為研究對象；

（2）對所選取的生物原型加以研究并數字化；

（3）進行簡化，保留有利于流體流動性能研究和降噪方面的內容；

（4）采用三維掃描或者逆向工程的方法獲取一個生物形態模型，構建數學仿生模型。例如，貓頭鷹翅膀的鋸齒狀尾緣是其實現靜默飛行的關鍵生物力學特征之一。空調室外機普遍采用仿生翼型風扇（圖8）。

圖8 仿貓頭鷹鋸齒尾緣設計

2.5 智能降噪技術

智能降噪（AI?ANC）技術融合了經典主動噪音控制、AI算法與環境感知系統，實現了聲學系統的AI進化，其核心原理是雙模協同機制：物理降噪層+AI增強層。AI?ANC正在從單一的音頻設備擴展到生活的方方面面，通過與AI、物聯網等技術的深度融合，為人們創造更加舒適、安靜的生活和工作環境。

2.6 數字孿生驅動的聲品質正向設計

數字孿生（DT）是物理實體（例如設備、產品或系統）的虛擬映射，通過實時數據同步和仿真技術實現對物理對象的動態監控、預測和優化；聲品質指人對聲音的主觀感知評價，涉及響度、音色、尖銳度、粗糙度等心理聲學參數。數字孿生與聲品質的結合，旨在通過虛擬仿真與物理世界的實時交互，實現從“問題后優化”到“設計前預測”的轉變，從而高效優化產品的聲學體驗。

1）多域耦合建模：多域耦合建模是DT技術實現高精度聲品質優化的核心方法。

2）閉環優化邏輯：在虛擬環境中模擬不同設計方案的聲學輸出；通過靈敏度分析，識別影響聲品質的關鍵參數，指導設計迭代。

3）實時交互機制：實現物理樣機與數字孿生的數據同步，動態調整結構參數。

數字孿生驅動的聲品質正向設計在虛擬環境中快速仿真不同結構、材料、工況下的聲學響應，避免物理樣機重復迭代，顯著提升了傳統噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）開發的效率與精度；通過這種技術構建聲學設計規則庫，實現企業Know?How的數字化復用；圖9為HEAD acoustics公司利用數字孿生技術展示如何通過虛擬技術優化汽車座艙聲學性能。

圖9 數字孿生聲學座艙

03

發展方向

3.1 更精確更智能振動測試分析設備研發

未來需要通過技術創新（例如聲紋識別等噪聲溯源技術）、標準化建設和跨學科融合，開發新一代高精度、智能化、微型化、網絡化的測試設備，以滿足日益復雜的工程應用需求，大大提高源頭控制的有效性。

3.2 新技術的創新

新技術的創新應用將引領振動降噪水平出現跨越式的提升，其中包括機理創新、結構創新、材料創新、工藝創新在內的技術發展。目前聲學超材料、仿生風機等國內外都已開展大量研究及成果，這些新技術的落地應用必然會使降噪性能大幅超越傳統設備。

3.3 基于數字孿生技術的聲品質正向設計

建立噪聲環境主客觀評價方法，使聲環境質量與人民群眾的主觀感受逐步統一起來，通過跨模態感知融合、智能化參數調優以及個性化聲音適配，大幅減少噪聲投訴。國外在航空和汽車等領域已取得引領性發展，可以預計，國內設備的低噪聲設計將向該方向快速發展。

3.4 AI與降噪技術的深度融合

隨著AI技術的發展，以ANC、聲學超材料技術為本體的智能聲頻技術將能夠對噪聲進行更精確地靶向控制，形成更為綜合、有效的噪聲控制方案。

04

建議

（1）在技術創新方面應強化基礎理論研究，包括設立“聲學超材料”國家專項攻克低頻控制，建立覆蓋南北方言的中國人聽覺特征庫以支撐聲品質優化；

（2）在市場推廣方面需完善認證體系并拓展應用場景，推廣“靜音認證”標識體系，以提升消費者認知，同時打造典型示范工程，并實施實時監測，使公共服務設備噪聲降低30%；

（3）在政策保障方面應完善噪聲控制標準體系，包括推動標準與國際接軌（參考IEC60704）、完善測試方法、制定更嚴噪聲限值引導升級、從評價噪聲大小轉向評價聲品質并建立基于尖銳度和波動強度等心理聲學參數的聲品質標準、建立設備噪聲全生命周期監管機制、推動智能降噪普及與創新，以及推動綠色低噪音設備消費（加大財政補貼力度，鼓勵購買低噪音、高能效綠色家電）。

05

結論

設備低噪聲是“寧靜中國”建設的核心支撐，多技術融合是實現噪聲治理的必要手段，前沿技術是實現跨越式突破的關鍵。唯有通過強制性標準升級（例如對標歐盟限值）、技術創新（材料/結構降噪）、市場機制（健康分級）的三軌并進，才能從源頭削減噪聲污染，化解鄰里矛盾，實現“安靜權”這一基本民生訴求。未來需通過“基礎研究?技術轉化?政策驅動”三位一體模式，推動聲學超材料等前沿技術的規模化應用，完善噪聲分級認證制度，加強政策協同深化，最終實現從單一設備降噪到城市聲環境系統優化的跨越，為建設宜居、宜業、宜游的“寧靜中國”提供堅實保障。

本文作者：項紅熒、許升、房麗紅、趙海霞、王偉、孫興朋、楚德見、李建

作者簡介：項紅熒，青島海爾智能技術研發有限公司超前創新中心，工程師，研究方向為家電減振降噪。

文章來 源 ： 項紅熒, 許升, 房麗紅, 等. 設備低噪聲技術助力“寧靜中國”建設[J]. 科技導報, 2026, 44(4): 127?134 .

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