设备低噪声技术支撑“宁静中国”建设

原文发表于《科技导报》2026 年第4 期 《 设备低噪声技术助力“宁静中国”建设 》

随着城市化进程加速，设备噪声污染成为社会生活噪声治理的核心挑战。《科技导报》邀请青岛海尔智能技术研发有限公司超前创新中心工程师项红荧撰写文章，综述了设备噪声污染的治理路径及降噪技术，提出前沿技术突破方向，建议通过“政策−技术−标准”三链融合，构建从物理静音到心理宁静的声景生态，支撑“宁静中国”建设落地。

近年来，营造宁静环境被纳入美丽中国建设的核心议题，成为生态文明的关键维度。社会生活噪声是噪声污染防治的重中之重。

根据《中华人民共和国噪声污染防治法》（2021年12月24日通过，2022年6月5日起施行），社会生活噪声是指“人为活动产生的除工业噪声、建筑施工噪声和交通运输噪声之外的干扰周围生活环境的声音”，包括住宅内设备运行噪声、群体活动噪声、室内装修施工噪声。其中设备作为重要噪声源，主要包括：冷却塔、风机、空调设备、音响设备、洗衣机、油烟机、电梯、水泵、通风设备等。2025年，深圳出台的《社会生活噪声管理技术规范》要求设备选型时优先考虑低噪声设备。未来，随着智能家居普及（如扫地机器人、人工智能（AI）空调），设备低噪声治理将成为城市宜居性的核心指标。

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设备噪声污染防治概况

设备噪声结合其声学特性可采用不同的噪声治理路线，以家用设备为例，可划分为2大类：

（1）强声源设备（如破壁机、洗地机、吸油烟机等，典型声压级＞60 dB（A））：这类设备噪声能量高，对环境和用户干扰大，首要任务是通过源头削减和传播路径阻隔实现声压级降低。

（2）弱声源设备（如高端冰箱、酒柜等，典型声压级＜20 dB（A））：这类设备声压级虽然很低，但特定的、易被感知的声学瑕疵（如音调性、粗糙度、波动度）会成为主要困扰，影响用户舒适度与产品高端感，这类噪声的治理路径主要是优化声品质。现代设备减振降噪技术已形成从源头防控、路径降噪到声品质优化的完整体系，在社会生活噪声控制方面实现了显著效果。

1.1 源头防控

源头防控是噪声治理最直接有效的降噪策略。主要控制方法如下，

（1）结构改进：优化齿轮齿形、提高加工精度，减少摩擦和碰撞噪声；

（2）减振结构设计：在设备内部采用隔振结构或填充阻尼材料，降低机械振动；

（3）工艺改进：用低噪声工艺替代高噪声工艺，例如焊接替代铆接；

（4）变频技术应用：采用变频驱动技术，减少设备启停冲击；

（5）结构形貌设计：优化风机叶片设计，降低气流扰动；

（6）运行参数调整：合理调整设备转速、负荷等运行参数，使设备运行在高效点降低噪声。

1.2 路径降噪

1.2.1 被动降噪

被动降噪（PNC）是通过物理材料或结构设计阻断、吸收或反射声波能量。其关键技术及应用如下，

（1）吸声技术：采用多孔或黏弹性材料（例如泡沫、纤维）将声能转化为热能，对声能进行吸收，通过优化孔隙结构、运用新型材料，提高材料的吸声性能；

（2）隔声技术：高密度材料通过阻抗失配反射声波，对声波进行阻隔；

（3）消声器技术：通过特定的声学结构和材料，在允许气流正常通过的同时，通过吸声、反射、干涉等多种物理机制有效降低噪声传播的专业降噪装置；

（4）隔振技术：指在振源和需要保护的设备或结构之间插入弹性元件（隔振器），以减弱或隔离振动传递的技术措施；

（5）阻尼技术：指通过特定的物理机制将振动系统的机械能转化为热能或其他形式的能量，从而使振动幅度减小的技术手段。

PNC技术具有可靠性高、维护简单、成本相对较低等优势，是噪声控制工程中最基础和最广泛应用的技术手段。

1.2.2 主动降噪

主动噪音控制（ANC）技术是基于声波干涉原理的实时噪声抑制方法，其核心是通过产生与目标噪声相位相反、幅值相等的“反相声波”实现破坏性干涉。ANC因为其卓越的适用性和优秀的低频段降噪能力而成为热门的研究课题。虽然ANC解决了低频噪声的难题，但高频噪声抑制不足（需与被动技术结合）、硬件成本高、多场景自适应延迟等问题限制了其大规模应用。

1.3 声品质优化

声品质（SQ）技术是指通过心理声学模型和信号处理方法，对声音进行主观感知优化和客观参数控制的跨学科技术。该技术超越分贝限制，重构声景舒适度。声品质技术近年来受到多个行业的关注，但仍面临评价的准确性、复杂声环境的建模以及实时性要求等局限。

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设备低噪声前沿进展

2.1 声学超材料

声学超材料是一类通过人工精确设计的周期性或非周期性几何结构单元构成的微结构，利用声子带隙、局域共振、超表面相位调控等机制实现声波超常调控。声学超结构能够突破经典的质量作用定律，实现“轻质低频”吸声效果。国内外学者展开了大量研究，提出了多种类型的声学超材料结构，以Helmholtz共振型超材料（图1（a））、薄膜型超材料（图1（b））为典型代表。

图1 声学超材料

Helmholtz共振型超材料通过周期性排列的弹性散射体，形成禁止特定频率声波传播的带隙，带隙产生机理主要有Bragg散射原理和局域共振原理，Bragg散射原理是一种波动（例如声波、电子波等）在周期性结构（例如晶体）中发生相干散射的现象，而局域共振机理主要是靠单个晶格（Helmholtz共振腔）的共振来消耗声能量。

薄膜型声学超材料可以看成一个“质量−弹簧”系统，薄膜相当于“弹簧”，附加在薄膜上的质量块相当于“质量”，刚性框架用于固定施加了预紧力的薄膜。当“质量−弹簧”系统受弹性波作用时，系统将在谐振力作用下做简谐振动。图2所示为薄膜型声学超材料在冰箱上的应用，总声压级比原始结构降低3.8 dB（A），在最大峰值800 Hz频带，声压级降低10 dB（A）。

图2 薄膜型声学超材料的应用

2.2 声学黑洞

在研究楔形薄板结构声波调控时发现，当结构的厚度按照一定的幂指数减小时，弯曲波的波速随着厚度的减小而减小，在理想情况下，波速可减小为0，此时声波不再反射，这种结构称为声学黑洞（ABH），如图3所示。声学黑洞结构具有耗能效率高、宽频减振等特点。因此在减振降噪领域具备广阔的应用前景。

图3 声学黑洞结构

一维ABH结构厚度变化h(x)满足h(x) =εxm, m⩾2（ε：截面变化系数，m：幂指数），如图4所示，当弯曲入射波由均匀部分传播到声学黑洞部分时，波长被压缩，波动幅值逐渐增大。

图4 一维ABH结构

研究表明，在截断的一维声学黑洞结构的尖端附近粘贴很少的阻尼材料，即可很好地降低由截断引起的反射系数。在声学黑洞中，截止频率是指该结构能够有效实现波导和能量聚集的最低频率：

式中，hb为ABH厚度，LABH为ABH长度，Eb为材料弹性模量，ρb为材料密度。

声学黑洞的结构参数、布置位置和阻尼层的厚度与面积对减振降噪效果起关键的作用。

图5为二维声学黑洞结构吸振器在船用隔膜真空泵的应用。声学黑洞技术核心价值在于通过“结构替代材料”的思路实现轻量化减振。未来的发展需要深入探索声学黑洞全频段减振机制，通过结合局域共振型声学超材料的低频共振优势与声学黑洞效应，实现全频带高效减振降噪。

图5 声学黑洞应用

2.3 准零刚度隔振器

准零刚度隔振器核心思想是通过非线性弹性元件的巧妙设计，在平衡位置形成刚度趋近于0的非线性特性，可将系统固有频率降至0.1~5.0 Hz，突破传统线性隔振器的低频隔振瓶颈（传统隔振器固有频率≥10 Hz）。准零刚度隔振器的刚度曲线如图6所示。由图6所示的刚度曲线可以看出，准零刚度隔振器属于非线性系统，刚度随着位移产生变化并具有高静低动的特性；高静态刚度可以使结构在静力作用下保持足够的承载能力，避免系统产生大位移，从而降低主体结构倾覆的可能性，同时低动态刚度可有效隔离低频振动，提高系统的隔振性能。因此，准零刚度系统可以很好地克服传统线性隔振系统稳定性和隔振性能之间的矛盾。

图6 准零刚度隔振器刚度曲线

图7是家电领域研究的一种压缩机准零刚度脚垫，利用杆状结构失稳和限位原理，通过控制受压状态非连续薄壁壳结构失稳以及设置限位柱实现。这类隔振器受到了国内外很多学者的关注，近年来，准零刚度隔振器的研究主要集中在2个方向：

• 一是对于自适应型隔振器结构或主动控制方面的拓展研究；

• 二是在原本各种准零隔振器结构的基础上，进行多方向多自由度隔振平台的设计。

此类创新结构可满足精密及微纳结构的高精度隔振需求，将成为未来振动控制领域的重要课题之一。

图7 准零刚度隔振器

2.4 空气动力仿生技术

空气动力学声学是研究气流与声波相互作用的交叉学科，主要关注由流体运动产生的噪声及其传播机制。随着技术的不断发展和进步，许多研究者从生物界获得灵感，通过研究天空中静音飞行的鸟类、水中游动的鱼类，获取有利于改善流体流动性能和降噪的特征元素，从而控制噪声。

空气动力仿生降噪优化设计过程：

（1）从生物界中选取生物在进化过程中形成的静音飞行特征或者有利于流体流动的特征作为研究对象；

（2）对所选取的生物原型加以研究并数字化；

（3）进行简化，保留有利于流体流动性能研究和降噪方面的内容；

（4）采用三维扫描或者逆向工程的方法获取一个生物形态模型，构建数学仿生模型。例如，猫头鹰翅膀的锯齿状尾缘是其实现静默飞行的关键生物力学特征之一。空调室外机普遍采用仿生翼型风扇（图8）。

图8 仿猫头鹰锯齿尾缘设计

2.5 智能降噪技术

智能降噪（AI−ANC）技术融合了经典主动噪音控制、AI算法与环境感知系统，实现了声学系统的AI进化，其核心原理是双模协同机制：物理降噪层+AI增强层。AI−ANC正在从单一的音频设备扩展到生活的方方面面，通过与AI、物联网等技术的深度融合，为人们创造更加舒适、安静的生活和工作环境。

2.6 数字孪生驱动的声品质正向设计

数字孪生（DT）是物理实体（例如设备、产品或系统）的虚拟映射，通过实时数据同步和仿真技术实现对物理对象的动态监控、预测和优化；声品质指人对声音的主观感知评价，涉及响度、音色、尖锐度、粗糙度等心理声学参数。数字孪生与声品质的结合，旨在通过虚拟仿真与物理世界的实时交互，实现从“问题后优化”到“设计前预测”的转变，从而高效优化产品的声学体验。

1）多域耦合建模：多域耦合建模是DT技术实现高精度声品质优化的核心方法。

2）闭环优化逻辑：在虚拟环境中模拟不同设计方案的声学输出；通过灵敏度分析，识别影响声品质的关键参数，指导设计迭代。

3）实时交互机制：实现物理样机与数字孪生的数据同步，动态调整结构参数。

数字孪生驱动的声品质正向设计在虚拟环境中快速仿真不同结构、材料、工况下的声学响应，避免物理样机重复迭代，显著提升了传统噪声、振动与声振粗糙度（NVH）开发的效率与精度；通过这种技术构建声学设计规则库，实现企业Know−How的数字化复用；图9为HEAD acoustics公司利用数字孪生技术展示如何通过虚拟技术优化汽车座舱声学性能。

图9 数字孪生声学座舱

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发展方向

3.1 更精确更智能振动测试分析设备研发

未来需要通过技术创新（例如声纹识别等噪声溯源技术）、标准化建设和跨学科融合，开发新一代高精度、智能化、微型化、网络化的测试设备，以满足日益复杂的工程应用需求，大大提高源头控制的有效性。

3.2 新技术的创新

新技术的创新应用将引领振动降噪水平出现跨越式的提升，其中包括机理创新、结构创新、材料创新、工艺创新在内的技术发展。目前声学超材料、仿生风机等国内外都已开展大量研究及成果，这些新技术的落地应用必然会使降噪性能大幅超越传统设备。

3.3 基于数字孪生技术的声品质正向设计

建立噪声环境主客观评价方法，使声环境质量与人民群众的主观感受逐步统一起来，通过跨模态感知融合、智能化参数调优以及个性化声音适配，大幅减少噪声投诉。国外在航空和汽车等领域已取得引领性发展，可以预计，国内设备的低噪声设计将向该方向快速发展。

3.4 AI与降噪技术的深度融合

随着AI技术的发展，以ANC、声学超材料技术为本体的智能声频技术将能够对噪声进行更精确地靶向控制，形成更为综合、有效的噪声控制方案。

04

建议

（1）在技术创新方面应强化基础理论研究，包括设立“声学超材料”国家专项攻克低频控制，建立覆盖南北方言的中国人听觉特征库以支撑声品质优化；

（2）在市场推广方面需完善认证体系并拓展应用场景，推广“静音认证”标识体系，以提升消费者认知，同时打造典型示范工程，并实施实时监测，使公共服务设备噪声降低30%；

（3）在政策保障方面应完善噪声控制标准体系，包括推动标准与国际接轨（参考IEC60704）、完善测试方法、制定更严噪声限值引导升级、从评价噪声大小转向评价声品质并建立基于尖锐度和波动强度等心理声学参数的声品质标准、建立设备噪声全生命周期监管机制、推动智能降噪普及与创新，以及推动绿色低噪音设备消费（加大财政补贴力度，鼓励购买低噪音、高能效绿色家电）。

05

结论

设备低噪声是“宁静中国”建设的核心支撑，多技术融合是实现噪声治理的必要手段，前沿技术是实现跨越式突破的关键。唯有通过强制性标准升级（例如对标欧盟限值）、技术创新（材料/结构降噪）、市场机制（健康分级）的三轨并进，才能从源头削减噪声污染，化解邻里矛盾，实现“安静权”这一基本民生诉求。未来需通过“基础研究−技术转化−政策驱动”三位一体模式，推动声学超材料等前沿技术的规模化应用，完善噪声分级认证制度，加强政策协同深化，最终实现从单一设备降噪到城市声环境系统优化的跨越，为建设宜居、宜业、宜游的“宁静中国”提供坚实保障。

本文作者：项红荧、许升、房丽红、赵海霞、王伟、孙兴朋、楚德见、李建

作者简介：项红荧，青岛海尔智能技术研发有限公司超前创新中心，工程师，研究方向为家电减振降噪。

文章来 源 ： 项红荧, 许升, 房丽红, 等. 设备低噪声技术助力“宁静中国”建设[J]. 科技导报, 2026, 44(4): 127−134 .

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