技术领域本发明涉及一种航天器扰振源声模拟领域，特别是一种等效声模拟源的模拟方法。
背景技术：
卫星在大气环境进行微振动测试时，原始声源工作产生的噪声经舱板反射﹑回响，在星体结构内被放大，会导致测量得到的微振动信号被虚假放大。若采集的信号是含有噪声污染的数据，可能导致错误评估微振动对成像质量的影响，付出不必要的设计代价。卫星微振动性能在空间与地面上的表现存在差异。在地面实验，结构振动的扰动源激发可分为两部分。一部分是来源于结构振动的激振力。另一部分是来源于声激励的振动。评估在轨状态的振动性能，需要在地面测试结果中减去声激励引起的振动。然而，扰振源在运行过程中，这两种激励同时作用。不可能直接分离。因此，如果能够设计一个等效声源(1)，其声能量与扰振源相同，但它不产生振动，可以放在机舱结构测量纯粹的声激励引起的振动，从而可以分析在轨状态与地面状态，由于声激励引起的微振动性能差异。现有声模拟源以混响场模拟居多，此类设备仅模拟声源的强度，而不能模拟声源的指向性，一般均要求受激励部件与声源距离较远。对于卫星活动部件引起的声振响应，由于卫星结构紧凑，其声振响应与声源的指向性密切相关，现有设备无法满足定向声源的模拟需求。同时，为了不影响卫星的动力学特性，模拟源还需要与真实声源质量特性尽量接近。对于声场指向性的模拟，传统方法为波叠加法，典型的如立体声声源，该方法通过对多扬声器的控制，实现声音指向性的模拟，但该方法仅能模拟特定位置的声场特性，无法实现对特定声源的全场模拟。胡瑞敏等发明了一种多声道系统中声源方向和距离重建的方法与装置(CN201410071545.1)，采用4个扬声器实现对特定位置一定响应面的声强和指向的重建，但无法模拟声源的全向近场特性。向宇等发明了一种基于多球域波叠加法的声场重建方法(CN201310726005.8)，将虚源面上分布的连续未知源强和核函数沿周向和子午线方向采用指数形式的Fourier级数进行展开，导出多虚拟球域外场辐射声压的二维快速Fourier变换的表达式，使现有的基于波叠加法的声全息计算方法适用于平面测量和任意形状测量面，但未给出声激励源的布置方法，无法验证能否实现声源的紧凑布置。王玉江等发明了一种声场重建方法(CN201310733451.1)，采用多虚拟球等效源进行全向近场的重建，但对多球虚拟源强的位置有特定要求，无法应用于集成式的全向声场模拟源。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种等效声模拟源的模拟方法，实现对卫星活动部件的近场声辐射特性进行模拟，用于剥离地面微振动试验中的声致振动与机械振动。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种等效声源的模拟方法，等效声源的模拟方法主要包括以下步骤：步骤(一)、设置由m个传声器组成的传声器阵列区域A；m为正整数；步骤(二)、将原始声源设置在传声器阵列区域A中的位置B处；分别得到m个传声器的声压信号，对声压信号做傅里叶变换得到各个传声器的频谱pi；其中，i＝1，2，...，m；步骤(三)、将等效声源(1)放置在传声器阵列中，其中等效声源(1)包括信号发生器、放大器、扬声器和计算机；其中，计算机控制信号发生器产生设定的驱动电压信号；放大器将信号发生器产生的驱动电压信号进行放大处理，并输出至扬声器；扬声器接收放大器传来的放大处理后的驱动电压信号，并将放大处理后的驱动电压信号转换为声波辐射向周围发射出去；其中扬声器为n个，n为正整数；分别计算信号发生器产生设定的驱动电压D和等效声源(1)周围各传声器的频响函数hi,j，其中hi,j的计算公式为：hi,j=piqj---(1)]]>其中，i为传声器的序号，i＝1，2，...，m；j为扬声器的序号，j＝1，2，...，n；pi为各传声器的频谱；qj为信号发生器产生的驱动电压信号的频谱；步骤(四)、设定信号发生器产生设定的驱动电压信号为dj；其中，j为扬声器的序号；j＝1，2，...，n；pi＝∑jhi,j·dj(2)将上式写为矩阵形式为：P＝H·D(3)其中，pi为各传声器的频谱；hi,j为各传声器的频响函数；P为pi组成的m个元素的列阵；H为hi,j组成的m行n列矩阵；D为dj组成的n个元素的列阵；当传声器个数m等于扬声器的个数n，传递函数矩阵H成为一个方阵；公式(2)两边乘以H的逆矩阵，得到驱动电压D：D＝H-1·P(4)对矩阵H进行奇异值分解：H＝U·S·V-1(5)其中，U为m×m阶酉矩阵；S为半正定m×n阶对角矩阵；V-1为n×n阶酉矩阵；矩阵求逆时，丢弃噪声主成分，得到退化奇异值矩阵Ur和酉矩阵Vr，并计算丢弃噪声成分后的矩阵H的逆矩阵：H-1=Ur·Sr-1·Vr-1---(6)]]>可由式(4)和式(6)得到方程(7)，计算驱动电压D：D=Ur·Sr-1·Vr-1·P---(7)]]>步骤(四)、使用步骤(三)得到的驱动电压D驱动等效声源(1)进行声波辐射，验证等效声源(1)重现原始声源特性的精度。在上述的一种等效声源的模拟方法，所述步骤(一)中，所述传声器阵列区域A为半球形；其半径为原始声源几何尺度的2～10倍；m个扬声器在区域A内均匀分布。在上述的一种等效声源的模拟方法，所述步骤(二)中，传声器阵列中所述位置B处为传声器阵列区域A中的球心位置。在上述的一种等效声源的模拟方法，所述步骤(三)中，等效声源(1)包括n个扬声器，n＝5；其中4个扬声器放置于同一水平面内，且均朝向外侧正交分布；另一个扬声器竖直向上放置。在上述的一种等效声源的模拟方法，等效声源(1)包括m个信号发生器、m个放大器、m个扬声器和1台计算机；每个信号发生器对应相应的1台放大器和1个扬声器；1台计算机控制m个信号发生器产生设定的驱动电压信号。在上述的一种等效声源的模拟方法，所述步骤(四)中，采用整体相关性验证方法，验证等效声源(1)是否可以重现原始声源特性，具体方法为：采用自功率谱的置信因子APAC计算等效声源与原始声源对每个传声器在整个频率范围内的整体相关性，计算方法如下：APAC(j)=APCMG(ωi)j·APEQS(ωi)jT|APCMG(ωi)j|·|APEQS(ωi)j|---(8)]]>其中，APAC(j)为第j个传声器的自功率谱置信因子；为第j个传声器在原始声源整个频率ωi范围内的线性自功率谱，为行向量；第j个传声器在等效声源整个频率ωi范围内的线性自功率谱，为行向量；T为向量转置；|·|表示向量的模；其中，APAC趋近于1表示重现精度越高。在上述的一种等效声源的模拟方法，所述步骤(四)中，采用声功率对比方法，验证等效声源(1)是否可以重现原始声源特性，具体方法为：声源的声功率Lw可以由公式(9)得出：Lw=Lp‾+10log(ss0)---(9)]]>其中，为传声器测量表面平均声压级；s为传声器测量表面的面积；s0为基准测量面积；原始声源的声功率Lw与等效声源的声功率Lw越接近，表示重现精度越高。在上述的一种等效声源的模拟方法，所述s0为1m2。在上述的一种等效声源的模拟方法，其特征在于：所述步骤(四)中，采用指向性对比方法，验证等效声源(1)是否可以重现原始声源特性，具体方法为：自动绘制原始声源和等效声源(1)的n个传声器声功率的对比图，验证声能量在空间上的分布是否一致，来判断等效声源是否可以准确地再现原始声源的指向特性。本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)本发明根据原始声源的安装方式和尺寸重量，设计了多扬声器构成的声模拟源，从而不仅可以模拟原始声源的辐射能量，而且还可以模拟原始声源的近场指向特性；(2)本发明在验证等效声源重现原始声源特性的精度时，在频域逆向载荷识别方法中，使用了主分量分解技术，提高了等效声模拟源上各个扬声器驱动电压的推算精度；(3)本发明对于等效声模拟源能否真实复现原始声源特性的验证手段，包括整体相关性验证方法、声功率对比方法、指向性对比方法，进行指向特性的验证，实现了对声源近场辐射特性的多方面评价，提高了声源近场模拟的评估精度；(4)本发明为了简化等效声源再现精度的验证方法，设计一种新的度量标准，即基于自功率谱的置信因子；该方法计算等效声源与原始声源对每个传声器在整个频率范围内的整体相关性，提高对比精度，从整体上体现了等效生源的再现精度准确性。附图说明图1为本发明等效声模拟源结构设计示意图；图2为本发明声功率及指向性测试传声器布置示意图；图3为本发明声功率测试结果示意图；图4为本发明等效声模拟源电气连接示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：本发明主要针对卫星上的姿态控制执行部件控制力矩陀螺的声辐射特性进行等效模拟。如图1所示为等效声模拟源结构设计示意图，由图可知，等效声源1包括n个扬声器，n＝5；其中4个扬声器放置于同一水平面内，且均朝向外侧正交分布；另一个扬声器竖直向上放置。如图2所示为声功率及指向性测试传声器布置示意图，由图可知，一种等效声源的模拟方法，等效声源的模拟方法主要包括以下步骤：步骤(一)、设置由m个传声器组成的传声器阵列区域A；m为正整数；所述传声器阵列区域A为半球形；其半径为原始声源几何尺度的2～10倍；m个扬声器在区域A内均匀分布。步骤(二)、将原始声源设置在传声器阵列区域A中的位置B处；传声器阵列中所述位置B处为传声器阵列区域A中的球心位置；分别得到m个传声器的声压信号，对声压信号做傅里叶变换得到各个传声器的频谱pi；其中，i＝1，2，...，m；步骤(三)、将等效声源1放置在传声器阵列中，其中等效声源1包括信号发生器、放大器、扬声器和计算机；其中，计算机控制信号发生器产生设定的驱动电压信号；放大器将信号发生器产生的驱动电压信号进行放大处理，并输出至扬声器；扬声器接收放大器传来的放大处理后的驱动电压信号，并将放大处理后的驱动电压信号转换为声波辐射向周围发射出去；其中扬声器为n个，n为正整数；计算信号发生器产生设定的驱动电压信号和等效声源1周围各传声器的频响函数hi,j，hi,j的计算公式为：hi,j=piqj---(1)]]>其中，i为传声器的序号，i＝1，2，...，m；j为扬声器的序号，j＝1，2，...，n；pi为各传声器的频谱；qj为信号发生器产生的驱动电压信号的频谱；步骤(四)、确定等效声模拟源扬声器的驱动电压。驱动电压的推导可以被视为一个动态载荷识别，是一种逆问题。采用频域逆向载荷识别时，由于频率响应矩阵是病态的，在频域的方法的数值精度和稳定性往往不如预期。因此采用主分量分解(PCA)技术处理矩阵数字调理问题。设定信号发生器产生设定的驱动电压信号为dj；其中，j为扬声器的序号；j＝1，2，...，n；pi＝∑jhi,j·dj(2)将上式写为矩阵形式为：P＝H·D(3)其中，pi为各传声器的频谱；hi,j为各传声器的频响函数；P为pi组成的m个元素的列阵；H为hi,j组成的m行n列矩阵；D为dj组成的n个元素的列阵；当传声器个数m等于扬声器的个数n，传递函数矩阵H成为一个方阵；公式(2)两边乘以H的逆矩阵，计算得到驱动电压D：D＝H-1·P(4)当实测传递函数矩阵H中存在较大噪声，或当有传递函数之间相关性较强时，驱动电压D的求解精度将显著降低。因此，使用主成分分析的方法来解决这些问题。运用主成分分析，奇异值分解技术首先应用于传递函数矩阵H。将矩阵分解为奇异值，将揭示主成分之间的相关性。矩阵的奇异值表示在其对角元素的主成分的大小。对矩阵H进行奇异值分解：H＝U·S·V-1(5)其中，U为m×m阶酉矩阵；S为半正定m×n阶对角矩阵；V-1为n×n阶酉矩阵；矩阵求逆时，丢弃噪声主成分，得到退化奇异值矩阵Ur和酉矩阵Vr，并计算丢弃噪声成分后的矩阵H的逆矩阵：H-1=Ur·Sr-1·Vr-1---(6)]]>可由式(4)和式(6)得到方程(7)，计算驱动电压D：D=Ur·Sr-1·Vr-1·P---(7)]]>步骤(四)、使用步骤(三)得到的驱动电压D驱动等效声源1进行声波辐射，测试等效声源1周边传声器阵列上的噪声信号，与原声源信号进行对比，验证等效声源1是否可以重现原始声源特性。采用整体相关性验证方法，验证等效声源1是否可以重现原始声源特性，具体方法为：1、采用自功率谱的置信因子APAC计算等效声源与原始声源对每个传声器在整个频率范围内的整体相关性，计算方法如下：APAC(j)=APCMG(ωi)j·APEQS(ωi)jT|APCMG(ωi)j|·|APEQS(ωi)j|---(8)]]>其中，APAC(j)为第j个传声器的自功率谱置信因子；为第j个传声器在原始声源整个频率ωi范围内的线性自功率谱，为行向量；第j个传声器在等效声源整个频率ωi范围内的线性自功率谱，为行向量；T为向量转置；|·|表示向量的模；其中，APAC趋近于1表示重现精度越高。2、采用声功率对比方法，验证等效声源1是否可以重现原始声源特性，具体方法为：声源的声功率Lw可以由公式(9)得出：Lw=Lp‾+10log(ss0)---(9)]]>其中，为测量表面平均声压级；s为测量表面的面积，m2；s0为基准测量面积，s0＝1m2。原始声源的声功率Lw与等效声源的声功率Lw越接近，表示重现精度越高。等效声源1的声功率与原始生源的声功率越接近表示重现精度越高。3、采用指向性对比方法，验证等效声源1是否可以重现原始声源特性，具体方法为：自动绘制原始声源和等效声源1的n个传声器声能量的三维彩色图和瀑布图，验证声能量在空间上、频率上的分布是否一致，来判断等效声源是否可以准确地再现原始声源的指向特性。如图4所示为等效声模拟源电气连接示意图，由图可知，等效声源1包括m个信号发生器、m个放大器、m个扬声器和1台计算机；每个信号发生器对应相应的1台放大器和1个扬声器；1台计算机控制m个信号发生器产生设定的驱动电压信号。如图3所示为声功率测试结果示意图，由图可知，原始声源和等效声源(1)的n个传声器声功率的对比在图中能清晰体现，验证声能量在空间上的分布是否一致，来判断等效声源是否可以准确地再现原始声源的指向特性。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。