专利名称：水声超宽带组合声阵与发射装置的制作方法
技术领域：
所属领域本实用新型涉及用于水下声学探测的声波发射的换能器组合声阵及发射系统装置，尤其适用于不同地层、分辨率和地层穿透深度海洋探测仪器，还可以用于水下通信、遥测等其它海洋仪器。
背景技术：
现有技术的海洋探测和海洋开发活动中，普遍采用以声波作为检测手段的海洋仪器，水声探测仪器工作在低频频段，为了使仪器具有较大的作用距离和较高的分辨率，需要发射换能器声阵既能大功率发射，发射的声信号又具有较宽的工作频带。而现有的发射换能器，为了获得较高的电声效率，发射换能器工作在某一种振动模式的谐振频率附近，此时，换能器在电路上可以等效为包括一个电阻、一个电感和一个电容的四端网络，它的频率特性如同一个带通滤波器，工作频带十分窄，带宽Δf与中心频率f0的比值为0.2～0.33左右，由于海洋探测仪器的分辨率与发射换能器声阵的带宽Δf成正比，穿透率与工作频率成反比并与发射声功率成正比，因此，采用现有技术的水声窄带换能器或宽带换能器都无法满足超宽带、高分辨率海洋探测仪器的要求。
众所周知，水声探测仪器工作在低频频段，用于声电能量转换的压电换能器或磁致伸缩换能器存在着一个很大的静态电容或静态电感，现有技术的水声发射机采用功率放大器对换能器进行激励时，由此产生的相位角就会引入一个很大的无功分量，使功率放大器的利用效率显著降低。为了提高功率放大器的利用效率，现有技术通常采用带有一个大电感或大电容的功率网络来对换能器进行匹配调谐，而且这样的调谐是对某一频率而言，在窄带范围内比较有效，要在几百Hz～几十kHz的超宽带频率范围内实现匹配调谐、均衡发射则存在着非常大的缺陷。
现有技术有同一型振动模式换能器阵元采用阵元组合形成波束发射，而多个异型振动模式的水声宽带换能器阵一起发射，则存在着多阵发射互辐射影响、指向性分散、发射功率响应特性曲线畸变等严重缺陷。
当今世界已进入海洋世纪，海洋探测和海洋开发的任务要求海洋探测仪器的换能器能够在水下几十米～几千米的大深度范围内工作，换能器必须承受几十Mpa的静水压力，现有技术的换能器设计与选材等方面存在一系列的问题。另一方面，为了使换能器的声辐射功率尽可能大，即需要换能器的辐射面振动位移足够大，就必须使换能器的振动辐射面与支撑结构之间具有较好的去耦性能。但是，在现有技术换能器中性能良好的去耦材料要承受几十～60Mpa的静水压力则存在着严重的缺陷。
实用新型内容为了克服现有发射换能器及电路系统工作频率窄的缺点，本实用新型提出水声超宽带组合声阵与发射装置，采用多种不同振动模式的换能器阵组合成一个从几百Hz～几十kHz的超宽带发射换能器声阵，并采用多路发射功率放大电路和多路匹配网络对每种振动模式的换能器阵分别进行调谐匹配和发射，并且在控制微机控制下实现多个频带、多种发射脉宽和周期以及功率分档的水声超宽带声波功率发射。
本实用新型采用的技术方案是水声超宽带组合声阵与发射装置，包括水声超宽带组合声阵系统1、水声超宽带多阵发射系统2、接线盒3及安装平台4，在于水声超宽带组合声阵系统1由低频宽带换能器声阵11、中频宽带换能器声阵12、高频宽带换能器声阵13组合并安装在同一安装平台4内构成，各频段宽带换能器声阵的输入端分别通过电缆和接线盒3连接到水声超宽带多阵发射系统2的相应发射功放及匹配电路的输出端，水声超宽带组合声阵系统1置于水或密度与水接近的液体介质中，将水声超宽带多阵发射系统2送来的调制电信号转换成声波通过介质向水中辐射和传播；水声超宽带多阵发射系统2由信号源与控制电路21、多路功率放大及匹配网络22和发射电源系统23组成；信号源与控制电路21包括程控模拟信号源211、控制微机CPU212、故障检测电路213；信号源与控制电路21的程控模拟信号源211在控制微机CPU212的控制下，送到多路功率放大及匹配网络22，各路功率放大及匹配网络的输出经接线盒3加到超宽带组合声阵系统1相应的宽带换能器声阵。
所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，在于在水声超宽带组合声阵系统1中，其中低频宽带换能器声阵11至少包含1个低频声学特性良好的宽带稀土圆环型换能器，或合理选用宽带双激励纵向换能器；中频宽带换能器声阵12至少包含1个中频声学特性良好的宽带溢流环型换能器，或纵向振动弯曲型换能器；高频宽带换能器声阵13至少包含1个高频声学特性良好的宽带匹配层型换能器；多个频段宽带换能器声阵安装时将发射声中心调整在同一个平面内，并且发射声波时相互不阻挡。
所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，在于水声超宽带多阵发射系统2的程控模拟信号源211包括数字信号源2111、8位并行接口2112、D/A转换2113和程控增益放大器2114；8位并行接口2112的接收端连接数字信号源2111的输出端，其输出加到控制微机CPU212并行接口，CPU212的串行接口把接受到的发射命令和发射参数控制也送往CPU，经控制微机CPU解算处理，生成并向D/A转换电路2113输入端传送数字信号，D/A转换电路2113把数字信号转换为模拟信号，D/A转换电路2113的输出端连接在程控增益放大器2114的输入端，CPU向程控增益放大器2114发送加权参数和发射参数控制命令，在微机控制下，程控增益放大器2114输出的程控模拟信号加到多路功率放大及匹配网络22的输入端。
所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，在于水声超宽带多阵发射系统2的多路功率放大及匹配网络22的每路功率放大及匹配网络包括带通滤波器221、移相器222、线性功率放大器223和阻抗匹配网络224；带通滤波器221的输入端连接程控模拟信号源211的程控增益放大器2114输出端，带通滤波器221输出的本路频段选通的信号加到移相器222的输入端，移相器222的输出端连接到线性功率放大器223输入端，线性功率放大223的输出加到本路阻抗匹配网络，经匹配处理的线性功率放大信号通过接线盒3送往相应的宽带换能器声阵；每路的移相器222使同步加到各路功率放大输入端的发射信号相应点对点的相位同相，水声超宽带多阵发射系统2在超宽带范围内同步发射时适应负载阻抗幅度与相位的动态变化，从而提高系统的转换效率并获得所要求的系统响应曲线。
所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，在于水声超宽带多阵发射系统2的信号源与控制电路21的故障自检电路213包括故障采样电路2131和A/D变换2132以及控制微机CPU212；故障采样电路2131的多个输入端接在各路匹配网络224的输出分压端，其输出经A/D转换，送到控制微机CPU212的串行接口，微机CPU对发射故障进行判别和监控。
所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，在于水声超宽带多阵发射系统2的发射电源系统23包括直流变换器231和电容储能电源232；直流变换器231DC/DC变换输入端经水面平台拖缆5连接到水面平台配电，经直流变换器231DC/DC变换，输出两组低压直流和一路高压直流，两组低压直流给数字和模拟电路供电，一路高压直流送电容储能电源232输入端，电容储能电源232输出分别给多路功率放大及匹配网络22的各路线性功放223I、223II、223III供电，把水面平台拖缆上的高压小电流送给电容储能电源232，发射时电容储能电源232为功率放大�？樘峁┐蟮缌鞴┑�。
本实用新型的有益效果(1)本实用新型给出的水声超宽带组合声阵与发射装置，采用优选性能良好的水声多频段、多型振动模式的宽带发射换能器，其组合声阵的带宽满足海洋超宽带探测仪器工作频带从几百Hz到几十kHz的要求，采用多路1～数千瓦级的大功率放大和网络匹配发射技术的水声超宽带换能器组合声源，能满足高分辨率和良好的对地层穿透率的要求。
(2)本实用新型水声超宽带换能器组合声阵多阵发射系统，把几百Hz～几十kHz的超宽带频率范围分成多个频段并采用钟形发射展频技术，在各频段内功率放大与匹配网络电路与对应的宽带换能器声阵实现良好的匹配，显著地解决了超宽带频率范围的匹配调谐和均衡发射矛盾。
(3)本实用新型水声超宽带换能器组合声阵多阵发射系统采用微机程控加权与线性调频信号，以及多阵的声中心同平面和各阵的同步、同相发射电路，有效地克服了多阵发射互辐射影响、指向性分散、发射功率响应特性曲线畸变等问题。
(4)本实用新型选用了性能优良的多种振动模式的宽带深水换能器构成水声超宽带组合声阵，把水声超宽带换能器组合声阵的耐几十～60Mpa的静水压力的问题，分解为选用多种振动模式的宽带深水换能器来解决。
(5)本实用新型提出了分频段多型振动模式发射换能器声阵合成技术与发射技术，为海洋探测仪器对扫频信号组合的任意选择以及发射工作参数程控调整，提供了实用的水声超宽带组合声阵与发射装置，使仪器工作于最佳状态，适用于不同地层、分辨率和地层穿透深度的探测要求，创新的超宽带换能器组合与发射技术，还可用于水下通信、遥测等其它海洋仪器。
图1是本实用新型水声超宽带组合声阵与发射装置组成示意图；图2是本实用新型水声超宽带组合声阵与发射装置实施例在同一平台安装示意图；图3为本实用新型水声超宽带多阵发射系统组成框图；图4为本实用新型程控模拟信号源与多路功率放大及匹配网络原理框图；图5是本实用新型水声超宽带多阵系统的发射电源系统组成框图图6本实用新型水声超宽带组合声阵与发射装置实施例组成框图。
图1和图2中图1和图2中1-水声超宽带组合声阵系统1；2-水声超宽带组合声阵发射系统；3-接线盒；4-安装平台；5-水面平台拖缆；11-低频换能器阵；12-1和12-2-中频换能器阵；13-高频换能器阵；21-信号源和控制电路；22-多路功率放大及匹配网络；23-发射电源系统。
具体实施方式
为使水声超宽频带组合声阵与发射装置在整个超宽频带范围内实现均衡发射和在深水范围工作，合理选用以下若干种振动模式的宽带深水换能器进行组合，组合声阵中各宽带换能器的发射频率响应的相邻边缘互相重迭，在各个工作频段上实现无缝拼接，组合声阵的发射频率响应(-3～-5dB带宽)覆盖整个超宽工作频带。
在几百Hz～几kHz的频率范围的低频宽带换能器阵选用稀土圆环换能器，这类换能器具有频带宽、频率常数小、功率容量大和电压发送响应高的特点，其声源级≥175dB，工作深度6000m。
在几kHz～十几kHz的频率范围的中频宽带换能器阵选用溢流式圆环换能器，该类换能器综合了液腔共振频率和圆环的径向振动频率，具有频带宽，功率容量大的特点，其声源级≥190dB，工作深度6000m。
在十几kHz～几十kHz的频率范围高频段宽带换能器阵选用匹配层纵向换能器，匹配层技术形成了两个邻近的谐振峰，可有效拓宽工作频率，从而展宽换能器的发射宽带，其声源级≥210dB，发射电压响应的起伏≤±4dB，工作深度6000m。
实施例的水声超宽带组合声阵工作频带带宽为700Hz～30kHz，分配为低频700Hz～3kHz、中频3kHz～12kHz和高频12kHz～30kHz三个频段，低频段700Hz～3kHz选用一个宽带稀土圆环换能器11，中频段选用两个性能和尺寸完全相同的宽带溢流式圆环换能器12-1和12-1组合成声阵，将两换能器12-1和12-1的发射相应谐振点分别调谐在液腔共振峰和径向振动峰，组合声阵展宽后的发射频段为3kHz～12kH，高频段12kHz～30kHz选用一个宽带匹配层纵向换能器13。本实用新型水声超宽带组合声阵实施例在同一平台安装示意图如图2所示。安装平台4为流线型拖体，各频段宽带换能器阵安装在拖体前舱，舱中并注入淡水，各频段宽带换能器阵安装在拖体固定台，低频换能器阵11和高频换能器阵13轴线安放，中频换能器阵12-1和12-1轴对称安放，各阵发射声中心与拖体固定台平面垂直，保持在同一平面内。拖体后舱为电子舱，水声超宽带多阵发射系统2及其发射电源系统23、接线盒3，安装在拖体后舱，后舱不注水，但超宽带多阵发射系统2及其发射电源系统23的机箱，采取高静水压下的密封和固体热传导技术，接线盒3为水密接线盒，能满足环境适应性要求。
下面结合图3、图4、图5、图6，详细描述本实用新型实施例的水声超宽带多阵发射系统的工作过程。
图3给出本实用新型水声超宽带多阵发射系统的组成框图。水声超宽带多阵发射系统2由信号源与控制电路21、多路功率放大及匹配网络22和发射电源系统23组成。信号源与控制电路21由程控模拟信号源211、控制微机CPU212和故障检测电路213组成。为了综合考虑声波频带宽度对海底地层的分辨率、声波工作频率对海底地层的穿透率和传播衰减的影响，多阵多频带发射功率放大增益的非均匀加权系数由CPU来计算、生成和传送，并采用程控超宽带多阵多频段非均匀加权模拟信号源的输出幅度来调整线性功率放大的发射增益，实现声波对地层的穿透率与分辨率及其传播达到优化选择和控制。发射调制方式采用分频段线性调频以及钟形包络发射技术，有效提高声阵的发射工作频带宽度以及水声信号回波检测性能和海底地层的分辨率，保证超宽带多阵组合发射的各相邻工作频段边缘的合理重叠和无缝搭接。
本实用新型的水声超宽带多阵发射系统的程控模拟信号源与多路功率放大及匹配网络组成框图如图4所示。程控模拟信号源211包括数字信号源2111、8位并行接口2112、D/A转换器2113和程控增益放大器2114以及控制微机CPU212。多路功率放大及匹配网络22可有I到N路功率放大及匹配网络，每路功率放大及匹配网络由带通滤波221、移相器222、线性功率放大器223、变压器匹配网络224构成。程控模拟信号源211的输出送到多路功率放大及匹配网络22，发射电源系统23输出为功率放大及匹配网络22供电，多路功率放大及匹配网络22输出经接线盒3加到组合声阵系统1。
图5给出本实用新型实施例的发射电源系统组成框图，发射电源系统(23)包括直流变换器(231)和电容储能电源(232)；水面平台配电输送375V经拖缆5加到直流变换器(231)输入端，经DC/DC变换，输出两组低压直流±15V和±5V，一路高压直流190VDC，±15V和+5V给水声超宽带多阵发射系统2的数字和模拟电路供电，190VDC送电容储能电源(232)输入端，电容储能电源(32)输出分别给多路功率放大及匹配网络(22)的各路线性功放(223I)、(223II)、(223III)供电，把水面平台拖缆5上的高压小电流送给电容储能电源(232)，发射时储能电源(232)为功率放大模块提供大电流供电，防止发射时瞬间掉电。
本实用新型水声超宽带组合声阵与发射装置实施例组成框图如图6所示。多路功率放大及匹配网络22采用三路，它由I、II和III三路的带通滤波221、移相器222、线性功率放大器223、变压器匹配网络224、控制CPU212以及发射电源系统的DC/DC和电容储能电源等部分组成。线性功放的输入信号为线性调频信号，采用数字信号源2111、8位并行接口2112、D/A转换器2113、程控增益放大器2114组成程控模拟信号源211，程控增益放大器2114采用测量放大器AD524、模拟开关4051及电阻网络构成，D/A转换器2113采用具有零点和增益修正功能的AD7846型16位D/A转换器，选择供电电压为±15V，输出电压±10V。数字信号源2111输出经8位并行接口2112送到控制微机CPU212，数字信号经由D/A转换器2113转换成模拟信号，D/A转换器2113的输出接到程控增益放大器2114输入端，控制微机CPU212采用W77E58，在CPU的程序控制下，程控增益放大器2114按1.5dB倍率调整增益，改变输入功率放大器的线性调频信号的幅度，使发射功率放大实现程控功率分档和非均匀加权。
程控增益放大器2114输出的线性调频信号同时加到三路功率放大及匹配网络，每路经MAX267型带通滤波221滤波选通和移相器222移相后，输入FQL40N50功率放大器223输入端，功率放大输出送变压器匹配网络224进行功率匹配处理，I、II和III路的匹配网络224的输出分别经接线盒分送低频换能器声阵、中频换能器声阵和高频换能器声阵。
故障自检电路213包括故障采样电路2131和A/D变换2132以及控制微机CPU212，故障采样电路2131选用DH1082型多路12位模拟A/D数据采集�？椋娜鍪淙攵私拥饺菲ヅ渫�224输出的分压端，实时采集三路线性功率放大及匹配网络的发射工作状态信息，故障采样电路2131的输出经A/D转换为数字信号，送到控制微机CPU的串口，由CPU进行故障判别和指示，用以对发射工作状态实时监控。
权利要求1.水声超宽带组合声阵与发射装置，包括水声超宽带组合声阵系统(1)、水声超宽带多阵发射系统(2)、接线盒(3)及安装平台(4)，其特征在于水声超宽带组合声阵系统(1)由低频宽带换能器声阵(11)、中频宽带换能器声阵(12)、高频宽带换能器声阵(13)组合并安装在同一安装平台(4)内构成，各频段宽带换能器声阵的输入端分别通过电缆和接线盒(3)连接到水声超宽带多阵发射系统(2)的相应发射功放及匹配电路的输出端，水声超宽带组合声阵系统(1)置于水或密度与水接近的液体介质中，将水声超宽带多阵发射系统(2)送来的调制电信号转换成声波通过介质向水中辐射和传播；水声超宽带多阵发射系统(2)由信号源与控制电路(21)、多路功率放大及匹配网络(22)和发射电源系统(23)组成；信号源与控制电路(21)包括程控模拟信号源(211)、控制微机CPU(212)、故障检测电路(213)；信号源与控制电路(21)的程控模拟信号源(211)在控制微机CPU(212)的控制下，送到多路功率放大及匹配网络(22)，各路功率放大及匹配网络的输出经接线盒(3)加到水声超宽带组合声阵系统(1)相应的宽带换能器声阵。
2.根据权利要求1所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于在水声超宽带组合声阵系统(1)中，其中低频宽带换能器声阵(11)至少包含1个低频声学特性良好的宽带稀土圆环型换能器，或合理选用宽带双激励纵向换能器；中频宽带换能器声阵(12)至少包含1个中频声学特性良好的宽带溢流环型换能器，或纵向振动弯曲型换能器；高频宽带换能器声阵(13)至少包含1个高频声学特性良好的宽带匹配层型换能器；多个频段宽带换能器声阵安装时将发射声中心调整在同一个平面内，并且发射声波时相互不阻挡。
3.根据权利要求1所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的程控模拟信号源(211)包括数字信号源(2111)、8位并行接口(2112)、D/A转换(2113)和程控增益放大器(2114)；8位并行接口(2112)的接收端连接数字信号源(2111)的输出端，其输出加到控制微机CPU(212)的并行接口，CPU(212)的串行接口把接收到的发射命令和发射参数控制也送往CPU，经控制微机CPU解算处理，生成并向D/A转换电路(2113)输入端传送数字信号，D/A转换电路(2113)把数字信号转换为模拟信号，D/A转换电路(2113)的输出端连接在程控增益放大器(2114)的输入端，CPU向程控增益放大器(2114)发送加权参数和发射参数控制命令，在微机控制下，程控增益放大器(2114)输出的程控模拟信号加到多路功率放大及匹配网络(22)的输入端。
4.根据权利要求1或3所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的多路功率放大及匹配网络(22)的每路功率放大及匹配网络包括带通滤波器(221)、移相器(222)、线性功率放大器(223)和阻抗匹配网络(224)；带通滤波器(221)的输入端连接程控模拟信号源(211)的程控增益放大器(2114)输出端，带通滤波器(221)输出的本路频段选通的信号加到移相(222)的输入端，移相器(222)的输出端连接到线性功率放大器(223)输入端，线性功率放大(223)的输出加到本路阻抗匹配网络，经匹配处理的线性功率放大信号通过接线盒(3)送往相应的宽带换能器声阵；每路的移相器(222)使同步加到各路功率放大输入端的发射信号相应点对点的相位同相。
5.根据权利要求1或3所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的信号源与控制电路(21)的故障自检电路(213)包括故障采样电路(2131)和A/D变换(2132)以及控制微机CPU(212)；故障采样电路(2131)的多个输入端接在各路匹配网络(224)的输出分压端，其输出经A/D转换，送到控制微机CPU(212)的串行接口，微机CPU对发射故障进行判别和监控。
6.根据权利要求4所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的信号源与控制电路(21)的故障自检电路(213)包括故障采样电路(2131)和A/D变换(2132)以及控制微机CPU(212)；故障采样电路(2131)的多个输入端接在各路匹配网络(224)的输出分压端，其输出经A/D转换，送到控制微机CPU(212)的串行接口，微机CPU对发射故障进行判别和监控。
7.根据权利要求1或3所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的发射电源系统(23)包括直流变换器(231)和电容储能电源(232)；直流变换器(231)输入端经水面平台拖缆(5)连接到水面平台配电，经直流变换器(231)DC/DC变换，输出两组低压直流和一路高压直流，两组低压直流给数字和模拟电路供电，一路高压直流送电容储能电源(232)输入端，电容储能电源(232)输出分别给多路功率放大及匹配网络(22)的各路线性功放(223I)、(223II)、(223III)供电，把水面平台拖缆(5)上的高压小电流送给电容储能电源(232)，发射时电容储能电源(232)为功率放大�？樘峁┐蟮缌鞴┑�。
8.根据权利要求4所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的发射电源系统(23)包括直流变换器(231)和电容储能电源(232)；直流变换器(231)输入端经水面平台拖缆(5)连接到水面平台配电，经直流变换器(231)DC/DC变换，输出两组低压直流和一路高压直流，两组低压直流给数字和模拟电路供电，一路高压直流送电容储能电源(232)输入端，电容储能电源(232)输出分别给多路功率放大及匹配网络(22)的各路线性功放(223I)、(223II)、(223III)供电，把水面平台拖缆(5)上的高压小电流送给电容储能电源(232)，发射时电容储能电源(232)为功率放大�？樘峁┐蟮缌鞴┑�。
9.根据权利要求5所述的水声超宽带组合声阵与发射装置，其特征在于水声超宽带多阵发射系统(2)的发射电源系统(23)包括直流变换器(231)和电容储能电源(232)；直流变换器(231)输入端经水面平台拖缆(5)连接到水面平台配电，经直流变换器(231)DC/DC变换，输出两组低压直流和一路高压直流，两组低压直流给数字和模拟电路供电，一路高压直流送电容储能电源(232)输入端，电容储能电源(232)输出分别给多路功率放大及匹配网络(22)的各路线性功放(223I)、(223II)、(223III)供电，把水面平台拖缆(5)上的高压小电流送给电容储能电源(232)，发射时电容储能电源(232)为功率放大�？樘峁┐蟮缌鞴┑�。
专利摘要本实用新型涉及用于水下声学探测的声波发射的换能器组合声阵及发射系统装置，提出了采用分频段多型振动模式发射换能器声阵合成技术与多阵发射技术，实现海洋探测仪器对扫频信号组合的任意选择以及发射工作参数程控调整，提供了一种水声超宽带组合声阵和发射系统装置的实施例，使仪器的超宽带组合声阵发射工作于最佳状态，适用于不同地层、分辨率和地层穿透深度的探测要求。创新的水声超宽带换能器声阵组合和发射技术，还可适用于水下通信、遥测等其它海洋仪器。
文档编号G01S7/524GK2793746SQ20042011071
公开日2006年7月5日 申请日期2004年11月26日 优先权日2004年11月26日
发明者周利生, 张军, 夏铁坚, 王福林, 范进良, 沈铁东, 刘强, 陶春辉, 戴琪华 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所, 国家海洋局第二海洋研究所, 亚迪技术开发(上海)有限公司
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