CN101427589A - 扬声器装置 - Google Patents

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CN101427589A CNA2007800139277A CN200780013927A CN101427589A CN 101427589 A CN101427589 A CN 101427589A CN A2007800139277 A CNA2007800139277 A CN A2007800139277A CN 200780013927 A CN200780013927 A CN 200780013927A CN 101427589 A CN101427589 A CN 101427589A
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Abstract

本发明涉及一种扬声器装置，包括第一和第二接近设置且在声音上单独隔离的扬声器元件。第一和第二扬声器元件被布置成分别接收第一信号和第二信号，至少部分所述第一信号相对于所述第二信号反相。该装置还包括分别接近所述第一和第二扬声器元件设置的第三和第四扬声器元件。所述第三扬声器元件的中心被设置成使得所述第一扬声器元件的中心和所述第三扬声器元件的中心相交的第一轴线相对于水平面倾斜一角度φ，φ在0°～±30°范围内，并且所述第四扬声器元件的中心被设置成使得所述第二扬声器元件的中心和所述第四扬声器元件的中心相交的第二轴线相对于水平面倾斜一角度φ，φ在0°～±30°之间。分别到所述第三和第四扬声器元件的所述第一和第二信号被低通滤波，所述低通滤波器的截止频率小于或等于2.5kHz。

Description

扬声器装置
技术领域
本发明涉及用于再现立体声音频信号的扬声器装置。具体地，本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的扬声器装置。本发明也涉及一种根据权利要求19所述的立体声音频再现系统。
背景技术
过去，对再现的声音的期望不大于单声道再现可能产生的声音，并且因此这满足了大多数听众。然而，随着时间的推移，对立体声(例如，来自录音棚的录音或来自现场音乐会的录音)的高质量再现的需求已经不断增加。
因此，已经开发了各种系统，每种系统都能够以较大或较小的程度再现真实的立体声。
最容易想起的系统是传统的立体声再现系统，在该系统中，左和右侧喇叭安排在听众的前方并且各喇叭分开一定距离。当前大多数再现系统是基于这种技术。然而，根据由听众耳朵感觉到的声波之间的相对强度和这些声波之间的时间差，立体声电信号的真实再现最好能够相对于扬声器仅在单个位置处感觉到，因为这些方法由于分开的扬声器以及如何相对于听众安置扬声器的优先选择而经常受到立体声电信息的不正确的转化。
与虚拟地将听众移动到记录位置，即传送原始事件的不同声音源的实际位置的印象的最接近的系统，是录音的两路立体声方法和再现的两路立体声方法(双耳式耳机)。然而，存在大量通过DSP引入所谓的串音消除的扬声器系统，例如参见US3236949和US5862227。这种系统的目的是消除从右喇叭到达左耳的信号，反之亦然。这是为了建立两路扬声器系统。这种系统的缺点是，串音消除信号本身的复杂性降低了声音质量。用于记录和再现声音的不同于两路立体声方法的所有其它方式，诸如上述传统的双喇叭结构，建立了真实主观的并且甚至不需要有与在记录位置处的真实体验细微相似处的想象中的声像。
因此，需要提供立体声图像的同样的再现的声音再现系统而不管扬声器的结构和质量。转让给本发明的申请人的专利申请WO01/39548描述了解决这个问题的一种这样的系统，其公开了一种处理和再现立体声音频输入信号的方法。WO01/39548中描述的系统使得在感觉到的立体声图像的高度一致性的情况下以高保真度再现立体音频信号而与系统的质量无关。
然而，具有接近地设置的扬声器单元的这种系统的问题是，随着扬声器单元和听众之间距离的增加，关于在听众位置处感觉到的立体声效果的保真度的系统的性能随着距离的增加而降低，并且在极度情况下全部消失。因此，需要一种再现声音的改进的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决上述问题的扬声器装置。通过权利要求1的特征部分中所限定的扬声器装置实现这个目的。
根据本发明，扬声器装置包括第一和第二扬声器元件，它们彼此紧邻地设置，其中，所述第一和第二扬声器元件被布置成沿第一传播方向传播声音，其中所述第一和第二扬声器元件在声音上隔离并且被布置成分别接收第一信号和第二信号，至少部分所述第一信号相对于所述第二信号反相，其中所述装置还包括被布置成沿所述第一方向传播声音的第三和第四扬声器元件。所述第三扬声器元件紧邻所述第一扬声器元件设置并且被布置成接收所述至少部分第一信号。所述第四扬声器元件紧邻所述第二扬声器元件设置并被布置成接收至少部分所述第二信号。所述第三扬声器元件的中心被设置成使得与所述第一扬声器元件的中心和所述第三扬声器元件的中心相交的第一轴线相对于水平面倾斜一角度
Figure A200780013927D0006181048QIETU
。第四扬声器元件的中心被设置成使得与所述第二扬声器元件的中心与所述第四扬声器元件的中心相交的第二轴线相对于水平面倾斜一角度
Figure A200780013927D0006181048QIETU
，
Figure A200780013927D0006181048QIETU
在0°～±30°之间。优选地，所述第三和第四元件被设置成使得所述第一和第二轴线具有相等的
Figure A200780013927D0006181048QIETU
绝对值并且基本在所述第一和第二元件之间通过的垂直轴线上的一点处相交。到所述第三和第四元件的信号被低通滤波，所述低通滤波器的截止频率小于2.5kHz。
这具有的优点是，实现了与相对较大直径的扬声器元件的类似效果，即，这些元件将用作进一步从装置出来的偶极子，这样具有的结果是，在与扬声器一定距离的听众位置处感觉到的立体声效果对于特别是在从扬声器元件的f0到2.5kHz的范围内的频率得到显著的改进，其中，f0是扬声器元件的谐振频率。到第三和第四扬声器元件的信号的低通滤波避免了高频波瓣图的改变。此外，利用根据本发明的扬声器元件配置使得在限制元件尺寸特别是元件高度的应用中实现改进的立体声再现成为可能。
所述第一元件的中心和所述第三元件的中心之间以及所述第二元件的中心和所述第四元件的中心之间的距离D应该小于或等于所述第一和第二元件的直径d的两倍，以便完全受益于本发明的优点。
此外，扬声器元件可以紧邻所述第一和第二元件和/或所述第三和第四元件布置。这具有的优点是，甚至可以进一步改进某些频率的感觉到的立体声效果。
所述第一和第二扬声器可以由一对相同的扬声器元件构成，并且可被设置在小于由元件发出的最短波长的四分之一内，或者如果由元件发出的最短波长小于68cm，可被设置在小于17cm内。
此外，所述第一信号可以相当于中间输入信号(M)和侧输入信号(S)的和，且所述第二信号可以相当于中间输入信号(M)和相移180°的侧信号(S)的和。
此外，至少部分侧输入信号(S)或中间输入信号(M)可以在产生第一和第二信号之前或产生第一和第二信号时相移大约45°～135°。
所述装置可以是一个构成以下组中任一个的装置中的整体部分：演播室监视器、高保真系统、家庭影院系统、小型高保真系统、便携式收音机系统、电视机、便携式电脑、PC监视器、个人计算机、多媒体喇叭、移动电话、PDA。
附图说明
图1公开了一种现有技术的扬声器装置；
图2是示出了用于处理立体声信号的现有技术系统的框图；
图3a-c公开了由图1系统辐射的不同频率的波瓣图；
图3d公开了更加间隔开的扬声器元件的波瓣图；
图4公开了根据本发明的示例性实施例的扬声器装置；
图5示出了来自用作大极距偶极子的两个接近地设置的扬声器元件的波瓣图的实例；以及
图6-9示出了本发明的可选示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了现有技术的扬声器装置10。扬声器装置10包括第一侧13和第二侧14。第一侧13包括第一扬声器元件11，并且第二侧14包括第二扬声器元件12。公开的装置10用于立体声输入信号的立体声再现，并且尽管扬声器装置10包括共用外壳，但是扬声器元件11和12的共振器容积或空腔在声音上彼此隔离。在本说明书和权利要求书中，术语“声隔离”在这里是指没有或很少声音从一个共振器容积传递到另一个。公开的扬声器装置可以例如用于根据如图2所公开的方法再现声音，其中，传统的立体声音频输入信号包括左立体声输入信号L和右立体声输入信号R。L和R信号用于获得分别与左L和右R立体声输入信号的和相对应以及与左L和右R立体声输入信号之间的差相对应的中间信号M和侧信号S。立体声输出信号LOUT将被发送到左侧声音再现单元(在这种情况下是第一侧13的扬声器元件11)并且构成侧信号S与中间信号M乘以例如在-3dB到-15dB范围内的衰减系数α之乘积的和，而要被发送到右侧声音再现单元(在这种情况下是右手侧14的扬声器元件12)的立体声输出信号ROUT是反向侧信号S与中间信号M乘以衰减系数α之乘积的和。
该信号处理连同如图1所公开的扬声器装置一起使得在感觉到的立体声图像的高度一致的情况下以高保真度再现立体声音频电信号。为了改进在1～5kHz以上频率的感觉到的立体声效果的保真度，可以利用移相装置20使侧信号S在产生立体声输出信号LOUT和ROUT之前移相-90°，如图所示。在国际专利申请WO2005/009078中详细地描述了该方法。代替90°相移，相移可以是在区间45°～135°之间的任何相移，并且可选地，代之可以对中间信号M进行相移。
在所述系统中，为了最优性能，紧邻设置的扬声器元件11和12应该被设置成使得获得由于扬声器元件之间的干扰而在合成发射的声音图案中的波瓣引起的最小赋色。这在扬声器元件之间的距离小于正被发射的声音波长的四分之一时达到。达到这点意味着，较高频扬声器元件应该比较低频扬声器元件更加彼此靠近地安置。在实践中，这意味着这些元件的中心之间的距离应该小于由元件发射的最短波长的四分之一，或者如果由元件发射的最短波长小于68cm(即，频率>500Hz)，则至少不长于17cm，优选更接近。以这种方式布置所述元件11、12的结果是，这些元件将用作偶极子。
图3a示出了频率的波瓣图，其中在元件用作偶极子时，λ(波长)相对于扬声器元件的直径是短的(即高频)。如图所示，在波瓣图分开并且偶极效应不再为听众的耳朵所占有之前，元件11和12用作与扬声器元件距离长至A的偶极子。当元件11、12用作偶极子时，它们彼此消耗能量，即存在信号消去或部分消去，在信号重叠的区域，所述消去在听众16的位置处产生感觉到的立体声效果。因此，在距离扬声器元件最大距离A处为听众提供满意的立体声效果。如果听众进一步远离元件11、12，则将呈现给听众的是变差的立体声效果或完全没有立体声效果。然而，对于高频信号，距离A通常长至足以用在大多数情况下。
然而，随着波长增加，即，对于其中λ<delement的较低频率，delement是相应元件的直径，来自同组扬声器元件11、12的波瓣图将呈现图3b的波瓣图。即，元件11和12仍用作偶极子，但现在波瓣图在离扬声器元件距离B<A处分开，其中，在超过B的位置处偶极效应消失。因此，图3a的听众，在与扬声器装置10具有距离A处，将不会体验关于这些较低频率的满意立体声效果，并且非常可能的是，距离B将被认为即使在一般的起居室也太短。
这种效果随着频率降低而恶化。相关的频率间隔是从扬声器元件的谐振频率f0上至大约1.5～2.5kHz的频率间隔，在该频率之上图3a中的情形经常出现。如果图3a中的情形对应于1.5kHz，并且图3b中的情形对应于750Hz，则这种情形可能同图3c中的情形一样坏，其中偶极效应在距离C处分离，C<B<A，此时达到大约2～300Hz的频率。这意味着满意的立体声效果仅在非常靠近装置10的位置处获得，对于诸如电视机或高保真系统的消费电子设备来说，这可能非常不实用并被听众认为太短。因此，需要一种至少减少上述问题并增加可以由听众体验的较低频的满意立体声效果的距离的改进的扬声器装置。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的扬声器装置。该扬声器装置与图1中的装置类似，然而现在设有两个附加的元件46、47，在该实例中类似于元件41、42。元件46、47的频率范围至少部分重叠元件41、42的频率范围，并且可以与元件41、42的频率范围相同，在这种情况下，由相同频率范围的输出信号馈送这些元件。增加了元件46、47以便改进较低频率的立体声再现，并且通过增加扬声器元件表面来这样做。具有特定频率的元件表面的增加具有的结果是，增加了在位置A处实现偶极效应的最大波长，即，由于λ<delement将对较长波长有效，对于较低频获得期望的功能。与元件41(42)具有相等的表面的元件46(47)的添加相当于直径为
Figure A200780013927D0010181219QIETU
的单个元件41′(42′)(未示出)，即，大于元件41(42)的直径约41％。因此，本发明提供了与相当较大直径的扬声器元件相同的效果。从而，使用根据本发明的配置的优点是，它在元件尺寸特别是元件高度受限制的应用中改进了立体声再现。这种限制是在例如消费电子设备和移动电话中是普遍的。此外，如果元件41、42的直径以及由此中心到中心的距离太大，即元件的偶极效应可能完全丧失，从而波瓣图将相当于代替的偶极子的波瓣图。这在图3d中公开，其中，元件的辐射波瓣并不互相影响，从而恶化或总体上毁坏了听众位置处的感觉到的立体声效果。因此，紧邻地设置元件41、42的能力是极其重要的，并且这个要求由本发明来满足。
为了最佳性能，各个元件41和46、以及42和47的分离优选应该满足关系d＝D，即，扬声器元件46、47的直径应该等于元件41(42)的中心和元件46(47)的中心之间的距离D。如果不能满足这个条件，则元件46、47的直径d应该优选小于或等于距离D的两倍，以保证满意的立体声再现。如上所述，由于空间限制，通常使用椭圆形的扬声器元件，例如以降低装置的高度和/或宽度。当使用这些元件时，直径d表示椭圆形的短轴，并因此这对椭圆形的偏心率带来了限制。
然而，如图5所示，使用额外的元件46、47的缺点是，这些元件将由于单独附加的波瓣而有助于装置40的总波瓣图。这意味着，这些波瓣图将干扰元件41、42的波瓣图，并且可能因此在改进低频再现的同时降低高频再现的质量。因此，到元件46、47的信号是低通滤波的。这意味着，在元件41、42再现输入信号全部范围即贯穿元件的能力或再现分配给所述元件的频率范围的一部分的同时，元件46、47将仅再现直到某一频率的相同信号。
到元件46、47的信号优选被低通滤波使得所述扬声器元件的截止频率小于或等于2.5kHz或c/3D，其中，c是介质中声音的速度，例如在室温调节空气中为大约340m/s。因此，对于低通滤波器的截止频率以上的频率，元件41、42的波瓣图将基本上不受干扰。在一个实例中，截止频率被设置为大约1.5kHz。
公开的实施例具有的优点是，距离B和/或C随着实施本发明的保持的可能性而增加，其中存在空间要求，并因此使得听众能够增加到扬声器装置40的距离，同时仍然保持较宽频率范围的满意的立体声再现，并且基本上不会干扰较高频率的立体声再现。
为了更进一步改进再现立体声音频输入信号的能力，可以增加更多的扬声器元件。这在图6中公开，其中，与图1相比，设置有四个附加的元件66～69，每侧两个。这样具有的优点是，进一步增加了有效的扬声器元件区域。关于元件66、67，馈送给这些元件的信号应该优选是如上所述被低通滤波的。基于同样的原因，到元件68、69的信号也应该是被低通滤波的，其中，应用相应的等式c/3Dx，其中，Dx被定义为最中心的元件(61或62)的中心与特定元件x(例如，元件68)的中心之间的距离。
至止，已经描述了沿水平轴线设置的元件。然而，如果应用允许这样，则可以相对于最中心元件以一角度布置附加的元件。例如，仅最中心的元件会受空间限制，而可以更自由地设定外部元件的位置。在图7中示出了这样一个实例，其中，元件76、77相对于元件71、72以一倾斜角度布置。元件76的中心被定位成使得与元件71的中心和元件72的中心相交的第一轴线倾斜一角度
Figure A200780013927D0012181408QIETU
，其中
Figure A200780013927D0012181408QIETU
是相对于水平面为0°～±30°。此外，元件77的中心被定位成使得与元件72的中心和元件77的中心相交的第二轴线相对于水平面倾斜一角度
Figure A200780013927D0012181408QIETU
，其中
Figure A200780013927D0012181408QIETU
为0°～±30°。倾斜角度不应该大于±30度以防止垂直波瓣图的干扰。优选地，元件76、77应该被设置成使得所述第一和第二轴线具有相等的
Figure A200780013927D0012181408QIETU
绝对值，并且基本在元件71、72之间通过的垂直轴线上的一点处相交。
此外，图8示出了另一示例性实施例，其中，两个附加的元件86、86和87、89分别相对于最中心的元件81、82以倾斜角度布置。
在以上实例中，作为单独的一组元件已经公开了本发明，在图9中示出了一个可选择的实施例，其中不同组的元件再现不同频率范围的信号。所公开的装置包括第一组元件91～92，其用于高频再现，即再现所述装置的频率范围的最高部分，也就是频率范围的高通滤波部分(例如，2.5kHz以上的频率)。一组元件101～104与上述作用相同并再现低于其的频率。由于中间范围的元件本身具有较大直径，所以不大于c/3D的低通滤波器截止频率将保证适当的功能。因此，该实施例具有的优点是，对于较低频率也可以获得甚至较大的元件表面，因为由单个组的扬声器元件处理高频范围。此外，如上所述，较低频扬声器元件可以间隔更大地被布置而不会丧失偶极效应。
公开的装置进一步包括扬声器元件105～106，这些元件用于最低频范围(例如，低于200Hz的频率)的再现。自然地，根据本发明的附加元件也可以用于元件105、106。
在以上描述中，已经结合“传统的”扬声器装置公开了本发明，用来代替传统的两喇叭立体声系统。然而，本发明可应用在接近定位的各扬声器元件可以用于再现立体声声音的任何地方。这种装置包括，但不限于，演播室监视器、高保真喇叭、家庭影院、小型高保真设备、便携式收音机、车载立体声系统、电视机、便携式电脑、PC监视器、多媒体喇叭、移动电话。
例如，在诸如蜂窝电话之类的便携式电话中，两个全范围扬声器元件可以用于再现立体声声音。在这种电话中，可用空间通常非常有限，并且扬声器元件通常受到关于可能直径的约束，如上所述，其对较低频的立体声再现具有负面影响。此外，因为扬声器元件通常被布置在屏幕之下并因此应该具有尽可能小的直径，许多现代的电视机具有类似的问题。根据本发明的附加扬声器元件组的使用，优选利用到外部元件的信号的低通滤波，可以显著提高移动电话和电视机的立体声质量。
在以上描述中，扬声器装置已经被公开作为整体单元。可选地，它可以包括紧邻地放置或者甚至彼此连在一起的两个分开的单元。
由于本发明在细节上可进行变型、修改和改变，其中的一些已经在文中阐述，但贯穿整个说明书描述的或在附图中示出的所有主题要被解释为示例性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种扬声器装置，包括第一和第二扬声器元件，它们彼此紧邻地设置，其中，所述第一和第二扬声器元件被布置成沿第一传播方向传播声音，其中所述第一和第二扬声器元件在声音上隔离并且被布置成分别接收第一信号和第二信号，至少部分所述第一信号相对于所述第二信号反相，其中所述装置还包括被布置成沿所述第一方向传播声音的第三和第四扬声器元件，
-所述第三扬声器元件紧邻所述第一扬声器元件设置并且被布置成接收所述第一信号，所述第三扬声器元件的中心被设置成使得所述第一扬声器元件的中心和所述第三扬声器元件的中心相交的第一轴线相对于水平面倾斜一角度
Figure A200780013927C0002131742QIETU
，
Figure A200780013927C0002131742QIETU
在0°～±30°范围内，
-所述第四扬声器元件紧邻所述第二扬声器元件设置并布置成接收至少部分所述第二信号，所述第四扬声器元件的中心被设置成使得所述第二扬声器元件的中心与所述第四扬声器元件的中心相交的第二轴线相对于水平面倾斜一角度
Figure A200780013927C0002131742QIETU
，
Figure A200780013927C0002131742QIETU
在0°～±30°之间，其特征在于，
-分别到所述第三和第四扬声器元件的所述第一和第二信号被低通滤波，所述低通滤波器的截止频率小于或等于2.5kHz。
2.根据权利要求1所述的扬声器装置，其中，所述第一和第二扬声器元件的中心相交的轴线基本上水平。
3.根据权利要求1或2所述的扬声器装置，其中，所述低通滤波器的所述截止频率小于或等于c/3D，c是介质中的声速，并且在任何情况下小于或等于2.5kHz，其中，距离D分别是所述第一元件的中心和所述第三元件的中心之间、和/或所述第二元件的中心和所述第四元件的中心之间的距离。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第三和第四元件被布置成使得所述第一和第二轴线具有相等的
Figure A200780013927C0002131742QIETU
绝对值并且基本在所述第一和第二元件之间通过的垂直轴线的点处相交。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第三和第四扬声器元件通过单独的共振器容积在声音上单独地隔离。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第一和第三扬声器元件通过共同的共振器容积在声音上隔离，以及其中，所述第二和第四扬声器元件利用共同的共振器容积在声音上隔离。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第一元件的中心和所述第三元件的中心之间、以及所述第二元件的中心和所述第四元件的中心之间的距离D分别小于或等于所述第一和第二元件的直径d的两倍。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第三和第四元件的直径d小于或等于所述第一元件的中心和所述第二元件的中心之间的距离D的两倍。
9.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其中，所述装置还包括：
-第五扬声器元件，邻近所述第一和/或第三扬声器元件设置，以及
-第六扬声器元件，邻近所述第二和/或第四扬声器元件设置。
10.根据权利要求9所述的扬声器装置，其特征在于，到所述第五和第六扬声器元件的信号被低通滤波，所述低通滤波器的截止频率小于或等于c/3Dx，c是介质中的声速，并且在任何情况下小于或等于2.5kHz，其中距离Dx是所述第一元件的中心和所述第五元件的中心之间的距离和/或所述第二元件的中心和所述第六元件的中心之间的距离。
11.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，至少所述第一、第二、第三和第四扬声器元件是相同的扬声器元件。
12.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，至少所述第一、第二、第三和第四扬声器元件具有基本相同的直径。
13.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，至少所述第一、第二、第三和第四扬声器元件被设计为再现基本相同的频率范围。
14.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第一和第二扬声器元件构成一对相同的扬声器元件，并被设置在小于由元件发射的最短波长的四分之一范围内，或者如果由元件发射的最短波长小于68cm，则小于17cm。
15.根据权利要求14所述的扬声器装置，其特征在于，所述扬声器元件的中心被设置在小于由元件发射的最短波长的四分之一范围内，或者如果由元件发射的最短波长小于68cm，则小于17cm。
16.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其中，所述第一信号是或者相当于中间输入信号(M)和侧输入信号(S)的和，并且其中，所述第二信号是或者相当于中间输入信号(M)和180°相移的侧信号(S)的和。
17.根据权利要求16所述的扬声器装置，其中至少部分侧输入信号(S)或中间输入信号(M)在产生第一和第二信号之前或在产生第一和第二信号时进行大约45°～135°相移。
18.根据前述权利要求中任一项所述的扬声器装置，其特征在于，所述第一和第二扬声器元件通过单独的共振器容积被单独地在声音上隔离。
19.一种设备，其特征在于，它包括权利要求1-18中任一项所述的扬声器装置。
20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述设备由下组中任一个构成：演播室监视器、高保真系统、家庭影院系统、小型高保真系统、便携式收音机系统、车载立体声系统、电视机、便携式电脑、PC监视器、个人计算机、多媒体喇叭、移动电话、PDA。
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