3.2 声场FFT分析

根据时域图难以获知哪个结点或者在哪个频率下脉动压力较大，因此，需要对时域曲线进行快速傅里叶变换，将时域的脉动压力转换到频域：

式中：p（f ）为频率下的压力函数；p（t ）为时域下的压力函数。

声压级定义为：

式中：SPL（dB）为声压级，dB；p_rms为脉动压力，Pa；p_ref为参考声压，其值为20μPa。

在低马赫数流动的情况下，偶极子为主要声源，功率谱密度定义为：

式中：Φp(f)为功率谱密度；t为时间，s；p(x,t)为偶极子声源；n 为声源面外法线向量；r 为声源面半径，m；p_j为j 方向声压，Pa；S 为声源面。

对ANSYS Fluent 软件模拟得到的脉动压力时域图进行快速傅里叶变换，得到声压级图（图6）。

将各观测点2000 Hz 频率以内的声压级波动范围、中间幅值和平均幅值进行归纳（表3）。

根据监测点、各观测点声压级图以及观测点声压 级表可知：

（1）阀门流场监测点和各观测点气动噪声声压级的频带很宽，没有明显的主频率，是一种宽频噪声。

（2）观测点声压级变化规律与阀门表面监测点脉动压力频谱的变化规律一致，说明气动噪声形成的主要原因是阀门表面的脉动压力。

（3）在同一流速下，阀门流场各观测点气动噪声在低频时声压级幅值较大，随着频率的升高，幅值持续下降。由此可知，气动噪声低频部分能量较大，高频部分能量较小，这在功率谱密度图中表现更为明显。

（4）当气体处于同一流速下，在距离阀门1 m 范围内，音波的声压级随着频率的增大而降低；在距离阀门1～5 m 的观测点，音波的声压级随着频率的增大先增大后降低：在400 Hz 频率以内，声压级达到最大值，之后随着频率增大，声压级逐渐减小，在1 000 Hz处达到最低。

（5）在阀门一侧，靠近阀门的声压级比远离阀门的声压级大。在距离阀门越近的观测点，上下游声压级差距越大，在距离阀门0.01 m 处，声压级差别最大；距离阀门越远的观测点，上下游声压级差距越小，在距离阀门5 m 处，上下游声压级图几乎重合。

（6）当阀门开度为45°，流速为20 m/s时，在距离阀门较近的观测点，声压级差距较大，此时阀门上游大于阀门下游的噪声声压级。

（7）音波传播过程中，在与阀门较近的距离内，声压级衰减较快。音波在距离阀门0.01～0.05 m 范围内，声压级下降约30 dB ；音波在距离阀门0.05～0.1 m范围内，声压级下降约10 dB。可以推测经过一段相同距离，靠近阀门的声压级下降快于远离阀门的声压级。

通过快速傅里叶变换也可得到各观测点的功率谱密度图（图7，以观测点（0，0，－0.01）为例）。由此可知：音波能量主要集中在0～500 Hz；声功率密度随频率增大而降低，最后趋近于0；阀门上游比阀门下游的声功率密度大，且越靠近阀门该现象越明显。

 图7 声功率密度图