CN113676828A - 一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法，S1、将车内空间划分为网格节点；S2、获取乘客头部所在网格节点的编号信息；S3、基于步骤S2中获取的编号信息，获取乘客头部在车内的位置信息；S4、控制模块根据乘客头部的位置信息，调整扬声器的位置以及音效。本发明所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法，加入了声音分区控制算法，可以同时抑制直达声与混响声的影响，从而有效的扩大了车内多媒体声分区控制范围。
Description
技术领域
本发明属于汽车音响领域，尤其是涉及一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法。
背景技术
当前，鉴于声音分区控制理论和声频定向系统的快速发展，以及各种多媒体设备的广泛普及，声音分区控制装置的开发与设计越发受到关注，其在汽车领域的应用更是方兴未艾。汽车搭载多媒体声分区控制装置后，可以在车内形成所谓的声音“亮区”与“暗区”，车上的驾乘人员可以享受到“你听音乐，我打电话，大家互不干扰”的个性化听觉体验，驾乘舒适性与娱乐性都将得到极大的提升。
然而，当前大多数正在开发的车内多媒体声分区控制装置存在有效作用范围有限的问题，当乘客头部活动超出一定范围时，声音分区控制效果将大打折扣，这将严重影响多媒体声分区控制装置的使用体验与应用前景。部分最新开发的多媒体声分区控制装置通过头部追踪技术，实时驱动指向性扬声器对准乘客头部，理论上可以扩大声音分区控制范围。但该技术方案单纯依靠指向性扬声器的高指向性来实现声音分区控制，即仅考虑了车内直达声而忽略了混响声对乘客听觉感受的影响，经测试无法完全解决声音分区控制范围有限的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法，以解决车内多媒体声分区控制装置作用范围有限的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法
S1、将车内空间划分为网格节点；
S2、获取乘客头部所在网格节点的编号信息；
S3、基于步骤S2中获取的编号信息，获取乘客头部在车内的位置信息；
S4、控制模块根据乘客头部的位置信息，调整扬声器的位置以及音效。
进一步的，步骤S4中，扬声器的位置调整方式包括俯仰旋转和/或水平旋转；
扬声器位置在位置调整后，扬声器发声面的法线对准乘客头部。
进一步的，扬声器采用数字换能器阵列。
进一步的，数字换能器阵列的处理方法：
S5、输入原始音频信号经多次滤波计算后产生多路次级音频，次级音频的数量与数字换能器阵列的数量相对应，每路次级音频在执行对应的滤波计算时具有独立的滤波系数；
S6、对步骤S5中产生的多路次级音频，进行相同比例放大，得到对应数量的放大次级音频；
S7、多路放大次级音频均具有独立的数字换能器阵列，放大次级音频经对应的数字换能器阵列进行定向播放。
进一步的，滤波计算采用频域点乘计算或时域卷积计算；
采用频域点乘计算时，对原始音频信号做FFT运算，然后与滤波系数对位相乘；
采用时域卷积计算时，对滤波系数做IFFT运算，然后与原始音频信号做卷积。
进一步的，滤波系数公式：
q0为Mx1的滤波系数矩阵；Zb、Zd均为NxM的传递函数矩阵，Zb、Zd分别代表由各数字换能器阵列发出的音频信号和后排两名乘客耳部接收到的声音信号之间的传递函数；k为权重系数，取值范围在0到1之间；pbt为目标声压；N代表测量传递函数矩阵所需的麦克风通道数，M代表数字换能器阵列数。
一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置，包括头部追踪模块、控制模块、音频处理模块、功放模块和定向发声模块；
头部追踪模块用于实时跟踪、判定乘客的头部位置；
控制模块用于控制定向发声模块的旋转角度；
头部追踪模块与控制模块连接，控制模块与定向发声模块连接；
头部追踪模块与音频处理模块连接，音频处理模块与功放模块连接，功放模块与定向发声模块连接；
音频处理模块用于将原始音频进行滤波处理，得到多路次级音频；
音频处理模块上设有多个次级音频信号输出通道，功放模块上设有与次级音频信号输出通道数量对应的次级音频信号输入通道；
功放模块用于将多路次级音频放大相同的预设倍数；
功放模块还设有多个放大次级音频输出通道；
定向发声模块包括多个数字换能器阵列，每个数字换能器阵列均对应连接有独立的次级音频输出通道。
进一步的，数字换能器阵列包括若干数字换能器单元；
数字换能器用于将放大后的次级音频定向播放。
进一步的，头部追踪模块包括摄像头。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法具有以下优势：
本发明所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法，加入了声音分区控制算法，可以同时抑制直达声与混响声的影响，从而有效的扩大了车内多媒体声分区控制范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的多媒体声分区控制装置的各模块连接结构示意图。
附图标记说明：
100-头部追踪模块；11-头部追踪模块处理器；12-头部追踪模块存储器；13-头部追踪模块随机存贮器；14-摄像头；15-头部追踪模块第一输出通道；16-头部追踪模块第二输出通道；17-头部追踪模块开关；200-控制模块；21-控制模块处理器；22-控制模块存储器；23-控制模块随机存贮器；24-控制模块输入通道；25-控制模块输出通道；26-控制模块开关；300-定向发声模块；311-第一数字换能器阵列；312-第二数字换能器阵列；313-第三数字换能器阵列；314-第四数字换能器阵列；315-第五数字换能器阵列；316-第六数字换能器阵列；317-第七数字换能器阵列；318-第八数字换能器阵列；319-水平旋转台；320-俯仰旋转台；321-定向发声模块输入通道；400-功放模块；411-第一输入通道；412-第二输入通道；413-第三输入通道；414-第四输入通道；415-第五输入通道；416-第六输入通道；417-第七输入通道；418-第八输入通道；421-第一输出通道；422-第二输出通道；423-第三输出通道；424-第四输出通道；425-第五输出通道；426-第六输出通道；427-第七输出通道；428-第八输出通道；500-音频处理模块；51-音频处理模块处理器；52-音频处理模块存储器；53-音频处理模块随机存贮器；54-音频处理模块输入通道；55-音频处理模块输出通道；551-第十一输出通道；552-第十二输出通道；553-第十三输出通道；554-第十四输出通道；555-第十五输出通道；556-第十六输出通道；557-第十七输出通道；558-第十八输出通道；56-原始音频输入通道；57-音频处理模块开关；600-乘客头部活动区域网格；61-左侧乘客头部；62-右侧乘客头部。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法：
S1、将车内空间划分为网格节点；
S2、获取乘客头部所在网格节点的编号信息；
S3、基于步骤S2中获取的编号信息，获取乘客头部在车内的位置信息；
S4、控制模块根据乘客头部的位置信息，调整扬声器的位置以及音效。
步骤S4中，扬声器的位置调整方式包括俯仰旋转和/或水平旋转；
扬声器位置在位置调整后，扬声器发声面的法线对准乘客头部。
扬声器采用数字换能器阵列。
数字换能器阵列的处理方法：
S5、输入原始音频信号经多次滤波计算后产生多路次级音频，次级音频的数量与数字换能器阵列的数量相对应，每路次级音频在执行对应的滤波计算时具有独立的滤波系数；
S6、对步骤S5中产生的多路次级音频，进行相同比例放大，得到对应数量的放大次级音频；
S7、多路放大次级音频均具有独立的数字换能器阵列，放大次级音频经对应的数字换能器阵列进行定向播放。
滤波计算采用频域点乘计算或时域卷积计算；
采用频域点乘计算时，对原始音频信号做FFT运算，然后与滤波系数对位相乘；
采用时域卷积计算时，对滤波系数做IFFT运算，然后与原始音频信号做卷积。
滤波系数公式：
q0为Mx1的滤波系数矩阵；Zb、Zd均为NxM的传递函数矩阵，Zb、Zd分别代表由各数字换能器阵列发出的音频信号和后排两名乘客耳部接收到的声音信号之间的传递函数；k为权重系数，取值范围在0到1之间；pbt为目标声压，一般情况下取[1 1 1 1]T；N代表测量传递函数矩阵所需的麦克风通道数，M代表数字换能器阵列数。
一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置，包括头部追踪模块、控制模块、音频处理模块、功放模块和定向发声模块；
头部追踪模块用于实时跟踪、判定乘客的头部位置；
控制模块用于控制定向发声模块的旋转角度；
头部追踪模块包括头部追踪模块处理器11、头部追踪模块存储器12、头部追踪模块随机存贮器13、摄像头14、头部追踪模块第一输出通道15、头部追踪模块第二输出通道16和头部追踪模块开关17；
控制模块包括控制模块处理器21、控制模块存储器22、控制模块随机存贮器23、控制模块输入通道24、控制模块输出通道25和控制模块开关26；
功放模块400包括第一输入通道411、第二输入通道412、第三输入通道413、第四输入通道414、第五输入通道415、第六输入通道416、第七输入通道417、第八输入通道418、第一输出通道421、第二输出通道422、第三输出通道423、第四输出通道424、第五输出通道425、第六输出通道426、第七输出通道427和第八输出通道428；
音频处理模块包括音频处理模块处理器51、音频处理模块存储器52、音频处理模块随机存贮器53、音频处理模块输入通道54、音频处理模块输出通道55、第十一输出通道551、第十二输出通道552、第十三输出通道553、第十四输出通道554、第十五输出通道555、第十六输出通道556、第十七输出通道557、第十八输出通道558、原始音频输入通道56和音频处理模块开关57；
头部追踪模块与控制模块连接，控制模块与定向发声模块连接；
头部追踪模块与音频处理模块连接，音频处理模块与功放模块连接，功放模块与定向发声模块连接；
音频处理模块用于将原始音频进行滤波处理，得到多路次级音频；
音频处理模块上设有多个次级音频信号输出通道，功放模块上设有与次级音频信号输出通道数量对应的次级音频信号输入通道；
功放模块用于将多路次级音频放大相同的预设倍数；
功放模块还设有多个放大次级音频输出通道；
定向发声模块包括多个数字换能器阵列，每个数字换能器阵列均对应连接有独立的次级音频输出通道。
数字换能器阵列包括若干数字换能器单元；
数字换能器用于将放大后的次级音频定向播放。
头部追踪模块包括摄像头。
整体装置包括一个头部追踪模块、一个控制模块、两个音频处理模块、两个功放模块及两个定向发声模块。其中，音频处理模块、功放模块及定向发声模块均为后排左右侧各安装一个。所述头部追踪模块与所述控制模块相连，所述控制模块与所述左右两个音频处理模块及所述左右两个定向发声模块分别相连，所述左右两个音频处理模块分别与各自对应的所述功放模块相连，所述功放模块与其对应的所述定向发声模块相连。
所述头部追踪模块实时跟踪、判定乘客的头部位置，并将位置信息部分或完整的传送给所述控制模块及音频处理模块。
所述控制模块根据所述乘客头部位置信息计算定向发声模块的旋转角度，并将旋转角度传送给定向发声模块。
定向发声模块根据接收到的旋转角度进行相应旋转，使其阵面法线对准乘客头部。
音频处理模块根据接收自头部追踪模块的乘客头部位置信息，调取数据库中存储的相应滤波系数向量(所述滤波系数向量由声音分区控制算法中的“对比度控制-声压匹配(ACC-PM)”算法计算而得)，对待播放的原始音频信号进行滤波处理得到八段次级音频信号，通过八个相互独立的输出通道将所述八段次级音频信号分别传送给所述功放模块。
功放模块将八段次级音频信号放大相同的预设倍数，并通过八个相互独立的输出通道将所述放大后的八段次级音频信号传送至所述定向发声模块。
定向发声模块由八个相同但独立的数字换能器阵列构成，每个换能器阵列播放一段放大后的次级音频信号；
图1是本发明实施例中多媒体声分区控制装置的各模块连接结构示意图，该示意图仅展示当后排左右两名乘客聆听不同音频时，能够使左侧或右侧乘客获得独立听觉体验所需的装置。读者可以根据图1及本实施例的相关描述轻松的推理出如何使用相同的装置和方法使右侧乘客也获得独立的听觉体验。
将后排左右两名乘客头部的可能活动区域划分网格600，网格节点间距离等于整套车内多媒体声分区控制装置的系统延时与乘客头部活动速度估计值的乘积，网格节点均记录位置、编号并存储于头部追踪模块存储器12中图1中网格为二维结构，实际中为三维结构。
头部追踪模块中的摄像头14实时监测两名乘客头部的当前位置，头部追踪模块处理器11根据所述摄像头14的监测结果计算当前时刻乘客头部在网格600坐标系中的位置，与头部追踪模块存储器12中记录的网格节点位置比较后，确定与两名乘客头部距离最近的网格节点编号，将此信息中与左侧乘客相关的内容由头部追踪模块第一输出通道15传送至控制模块200，并将全部信息由头部追踪模块第二输出通道16传送至左侧的音频处理模块500。
所述控制模块200由控制模块输入通道24接收到所述与左侧乘客相关的网格节点编号信息后，控制模块处理器21调取存贮于控制模块随机存储器23中的上一时刻与左侧乘客相关的网格节点编号信息，对比、计算当前与上一时刻网格节点间的水平、俯仰角度差，通过控制模块输出通道25将所述角度差传送至左侧的定向发声模块300，控制模块随机存贮器23保留当前时刻的网格节点编号信息并删除上一时刻的相关信息。
所述左侧的定向发声模块300由定向发声模块输入通道321接收到所述角度差后，水平旋转台319、俯仰旋转台320分别转动相应角度，使得数字换能器阵列311-318的阵面法线指向左侧乘客头部。
所述音频处理模块500由音频处理模块输入通道54接收来自所述头部追踪模块的网格节点编号信息，音频处理模块处理器51根据所述网格节点编号信息调取存储于音频处理模块存储器52中的滤波系数数组内相应的滤波系数向量，使用所述滤波系数向量对由原始音频输入通道56输入的原始音频信号001执行滤波算法，得到八段次级音频信号011至018，分别由八个输出通道551至558传送至左侧的功放模块400中对应的输入通道411至418，经左侧的功放模块400按相同比例放大后，再分别由功左侧的功放模块的八个输出通道421至428传送至左侧的定向发声模块300的八个数字换能器阵列311至318，并由数字换能器阵列进行定向播放。
进一步的，所述滤波系数数组由网格600中任意一对网格节点对应的滤波系数向量组成，所述滤波系数向量由下式计算而得
式中q0为8x1的滤波系数向量；Zb、Zd均为4x8的传递函数矩阵，Zb和Zd分别代表由左侧的定向发声模块300中的各数字换能器阵列(311至318)发出的音频信号与网格600中任意一对节点处接收到的声音信号之间的传递函数；κ为权重系数，取值范围在0到1之间；pbt为目标声压，一般情况下取[1 1 1 1]T。
如果控制对象是左侧乘客，那Zb是指从定向发声模块300中的各数字换能器阵列(311至318)发出的音频信号与后排左侧乘客耳部接收到的声音信号之间的传递函数，Zd是指从各数字换能器阵列发出的音频信号与后排右侧乘客耳部接收到的声音信号之间的传递函数；
进一步的，所述滤波算法可以为频域点乘计算，即首先对原始音频信号做FFT运算，然后与滤波系数对位相乘；也可以为时域卷积计算，即首先对滤波系数做IFFT运算，然后与原始音频信号做卷积。
实施例1：车内后排左右侧座位均坐有乘客，左侧乘客点播音乐1，右侧乘客点播音乐2。头部追踪模块实时监测两名乘客的头部位置，计算并确定与两名乘客头部位置最接近的网格节点编号。随后，头部追踪模块同时执行两项操作：(1)将与左侧乘客头部位置相关的网格节点编号信息发送至控制模块，控制模块与上一时刻的相关网格节点编号对比后，确定左侧的定向发声装置应旋转的角度并发送该角度信息至左侧的定向发声模块，左侧的定向发声模块旋转相应角度，使其阵面法线指向左侧乘客头部；(2)将与两名乘客头部位置相关的网格节点编号信息发送至左侧的音频处理模块，左侧的音频处理模块根据网格节点编号信息，从事先存储的滤波系数数组中调取相应的滤波系数向量，并对音乐1进行滤波处理，处理后得到的次级音频信号经左侧的功放模块放大后，由左侧的定向发声模块播放。完成上述操作后，音乐1将在左右侧乘客头部之间形成约20dB的声级差(左大右小)，基本可以满足声音分区控制的要求。同时，声音分区控制的范围也将比未安装头部追踪模块时增大，从而保证后排两名乘客头部正常活动时仍能体验到相对独立的听觉感受。
市面上比较成熟的头部追踪设备有microsoft kinect系列产品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于：
S1、将车内空间划分为网格节点；
S2、获取乘客头部所在网格节点的编号信息；
S3、基于步骤S2中获取的编号信息，获取乘客头部在车内的位置信息；
S4、控制模块根据乘客头部的位置信息，调整扬声器的位置以及音效。
2.根据权利要求1所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于：步骤S4中，扬声器的位置调整方式包括俯仰旋转和/或水平旋转；
扬声器位置在位置调整后，扬声器发声面的法线对准乘客头部。
3.根据权利要求2所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于：扬声器采用数字换能器阵列。
4.根据权利要求3所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于，数字换能器阵列的处理方法：
S5、输入原始音频信号经多次滤波计算后产生多路次级音频，次级音频的数量与数字换能器阵列的数量相对应，每路次级音频在执行对应的滤波计算时具有独立的滤波系数；
S6、对步骤S5中产生的多路次级音频，进行相同比例放大，得到对应数量的放大次级音频；
S7、多路放大次级音频均具有独立的数字换能器阵列，放大次级音频经对应的数字换能器阵列进行定向播放。
5.根据权利要求4所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于：滤波计算采用频域点乘计算或时域卷积计算；
采用频域点乘计算时，对原始音频信号做FFT运算，然后与滤波系数对位相乘；
采用时域卷积计算时，对滤波系数做IFFT运算，然后与原始音频信号做卷积。
6.根据权利要求5所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于：滤波系数公式：
q0为Mx1的滤波系数矩阵；Zb、Zd均为NxM的传递函数矩阵，Zb、Zd分别代表由各数字换能器阵列发出的音频信号和后排两名乘客耳部接收到的声音信号之间的传递函数；k为权重系数，取值范围在0到1之间；pbt为目标声压；N代表测量传递函数矩阵所需的麦克风通道数，M代表数字换能器阵列数。
7.一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置，用于执行如权利要求1所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制方法，其特征在于：包括头部追踪模块、控制模块、音频处理模块、功放模块和定向发声模块；
头部追踪模块用于实时跟踪、判定乘客的头部位置；
控制模块用于控制定向发声模块的旋转角度；
头部追踪模块与控制模块连接，控制模块与定向发声模块连接；
头部追踪模块与音频处理模块连接，音频处理模块与功放模块连接，功放模块与定向发声模块连接；
音频处理模块用于将原始音频进行滤波处理，得到多路次级音频；
音频处理模块上设有多个次级音频信号输出通道，功放模块上设有与次级音频信号输出通道数量对应的次级音频信号输入通道；
功放模块用于将多路次级音频放大相同的预设倍数；
功放模块还设有多个放大次级音频输出通道；
定向发声模块包括多个数字换能器阵列，每个数字换能器阵列均对应连接有独立的次级音频输出通道。
8.根据权利要求7所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置，其特征在于：数字换能器阵列包括若干数字换能器单元；
数字换能器用于将放大后的次级音频定向播放。
9.根据权利要求7所述的一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置，其特征在于：头部追踪模块包括摄像头。
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|---|---|---|---|
| CN202110755011.0A Pending CN113676828A (zh) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | 一种基于头部追踪技术的车内多媒体声分区控制装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113676828A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100008521A1 (en) * | 2006-05-22 | 2010-01-14 | Audio Pixels Ltd. | Volume and tone control in direct digital speakers |
| US20130121515A1 (en) * | 2010-04-26 | 2013-05-16 | Cambridge Mechatronics Limited | Loudspeakers with position tracking |
| CN107392094A (zh) * | 2017-06-14 | 2017-11-24 | 蔚来汽车有限公司 | 自动调整车载音响音效模式的系统和方法 |
| CN109040907A (zh) * | 2018-09-11 | 2018-12-18 | 戴姆勒股份公司 | 车内声音分区控制系统 |
| CN110446136A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-11-12 | 华研慧声（苏州）电子科技有限公司 | 一种车内声场分区重建系统及其采用的控制方法 |
| CN112224142A (zh) * | 2020-09-03 | 2021-01-15 | 中国汽车技术研究中心有限公司 | 车载独立声学空间系统及车辆 |
-
2021
- 2021-07-01 CN CN202110755011.0A patent/CN113676828A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20100008521A1 (en) * | 2006-05-22 | 2010-01-14 | Audio Pixels Ltd. | Volume and tone control in direct digital speakers |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 陈道炯;马瑞;单世宝;宫赤坤;杜金勇;: "车内多通道自适应主动降噪的研究", 汽车工程, no. 04, 25 April 2007 (2007-04-25) * |
| 黄敏, 吕岑, 张根宝: "数字扬声器技术与未来发展", 电声技术, no. 08, 17 August 2004 (2004-08-17) * |
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