文|中國(guó)人民解放軍72671部隊(duì) 房 勇 王廣州 聶 鑫濟(jì)南大學(xué) 張樂(lè)娟
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們開(kāi)始運(yùn)用計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬技術(shù)來(lái)計(jì)算各種聲學(xué)參量,這使得許多無(wú)法估算的音質(zhì)參量可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)獲得,從而令廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)得到了巨大的進(jìn)步。小型多功能禮堂的擴(kuò)聲一般以會(huì)議、演講、報(bào)告等語(yǔ)言擴(kuò)聲為主,同時(shí)兼顧文藝演出活動(dòng)的擴(kuò)聲;不同的應(yīng)用模式對(duì)建聲和電聲的要求不同,因此在初期建筑設(shè)計(jì)時(shí)要考慮多種應(yīng)用的結(jié)構(gòu)需求,在裝修時(shí)要照顧不同應(yīng)用模式對(duì)建筑聲學(xué)的基本要求,并在此基礎(chǔ)上配合電聲器材的調(diào)整,建立擴(kuò)聲系統(tǒng)。
本文將以某小禮堂的改建為例,介紹如何利用CAD/EASE仿真模擬技術(shù)分析原有禮堂在聲學(xué)設(shè)計(jì)方面的不合理因素,進(jìn)行改建禮堂的聲場(chǎng)模擬,從建筑結(jié)構(gòu)、裝修要求、擴(kuò)聲系統(tǒng)選配、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)音等方面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),滿足人們對(duì)高清晰、高保真音頻的需求。
德國(guó)ADA聲學(xué)設(shè)計(jì)公司的EASE軟件有著豐富的頻率選擇和模擬項(xiàng),其中音箱布置圖、聲場(chǎng)圖、觀眾席聽(tīng)音區(qū)的混響時(shí)間、總聲壓級(jí)圖、快速語(yǔ)言傳遞指數(shù)模擬圖、輔音清晰度損失率模擬圖等六項(xiàng)對(duì)聲場(chǎng)分析有關(guān)鍵作用。
用于表示音箱的設(shè)計(jì)布置方式和主軸聲線所指向的位置,需設(shè)置音箱位置、俯仰角等參數(shù),這是聲場(chǎng)模擬的基礎(chǔ),可根據(jù)模擬的情況進(jìn)行調(diào)整。
用于表示建筑環(huán)境中各頻率聲音的聲場(chǎng)分布、聲場(chǎng)均勻度和最大聲壓級(jí)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。聽(tīng)音者在室內(nèi)聲場(chǎng)聽(tīng)到的是直達(dá)聲、近次反射聲和混響聲組成的綜合聲,后文三種聲場(chǎng)圖中的數(shù)值都是在混響聲場(chǎng)中計(jì)算出來(lái)的;在系統(tǒng)不變的情況下,由于建聲條件的影響,其結(jié)果和系統(tǒng)完成后的實(shí)際測(cè)量值會(huì)有差異。
用于表示建筑環(huán)境中各頻率聲音的聲場(chǎng)分布、聲場(chǎng)均勻度和最大聲壓級(jí)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于不同頻率的聲音,室內(nèi)裝修界面的反射系數(shù)有所不同,帶來(lái)的衰減量也不相同;因此不同頻率的聲音有著不同的聲壓級(jí)圖(本文重點(diǎn)取1kHz頻率的聲音來(lái)說(shuō)明)。
快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)是語(yǔ)言清晰度的一種表現(xiàn)形式,反映語(yǔ)言傳輸系統(tǒng)的客觀屬性,用于測(cè)定與可懂度有關(guān)的語(yǔ)言傳輸質(zhì)量。EASE的語(yǔ)言清晰度計(jì)算是基于如下條件,對(duì)模擬實(shí)際講話人聲學(xué)特性的測(cè)試信號(hào)調(diào)制指數(shù)Mi,以及測(cè)試信號(hào)由位于講話人位置的聲源傳輸?shù)铰?tīng)音點(diǎn)上的傳聲器的調(diào)制指數(shù)Mo,以RASTI法計(jì)算得出指數(shù)值:
◆ 建聲上,模擬圖中的混響時(shí)間頻響曲線與實(shí)際的混響時(shí)間頻響曲線接近(由于EASE吸聲材料數(shù)據(jù)庫(kù)中所提供的資料與實(shí)際裝修所用材料有所差別,所以得到的混響時(shí)間模擬圖會(huì)與實(shí)際混響時(shí)間頻響曲線有所差別;因此在建模時(shí),應(yīng)盡可能選擇與實(shí)際裝修材料的吸聲系統(tǒng)相接近的材料,使得到的混響時(shí)間模擬圖與實(shí)際混響時(shí)間頻響曲線相接近);
◆ 電聲上,所有選用的揚(yáng)聲器都處在正常的工作狀態(tài)下。
一般情況下,EASE模擬計(jì)算值0.60~1為非常好,0.45~0.6為良好,0.3~0.45為較差,小于0.3為不能接受。一般RASTI大于0.45為好。
由于人們講話發(fā)聲的母音的能量(如a、o、e、i、u)比輔音(如 b、p、m、f)高約6dB,發(fā)聲時(shí)間(一般為90ms)比輔音長(zhǎng)約70ms,所以因輔音聽(tīng)不清楚而影響語(yǔ)言清晰度是經(jīng)常出現(xiàn)的情況。輔音清晰度損失率(ALc%)是一種語(yǔ)言清晰度的度量工具,其值越小,意味著語(yǔ)言清晰度越高。語(yǔ)音清晰度的優(yōu)劣主要取決于聲音1kHz~2kHz頻率成分的表現(xiàn)。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算,得到聲音1kHz~2kHz頻率成分的能量損失率,再經(jīng)EASE運(yùn)算,即可得到輔音清晰度損失率。在EASE中,輔音清晰度損失率0%~7%為非常好,7%~11%為良好,11%~15%為清晰,15%~18%為較差,18%以上為不能接受,一般應(yīng)小于15%。
某小禮堂舞臺(tái)深7m,寬15.2m,距地面高0.6m,兩側(cè)設(shè)計(jì)為設(shè)備控制室和茶水房,沒(méi)有演出需要的側(cè)臺(tái),沒(méi)有安裝舞臺(tái)燈光和機(jī)械幕布;地面鋪設(shè)地毯,頂面為石膏板,墻面為穿孔鋁塑板,后面為三合板基板和阻燃棉。
會(huì)議區(qū)長(zhǎng)30m,寬20m,平均高度為6.6m,西墻面上裝有3.5m×1.2m的玻璃窗戶14個(gè),東面墻為細(xì)木工板上粘貼的鋁塑板。整個(gè)會(huì)場(chǎng)地面平整,裝有260個(gè)座椅,是一個(gè)典型的非標(biāo)準(zhǔn)禮堂。
在這樣的建聲環(huán)境下,臺(tái)口及會(huì)議區(qū)中部、后部共平均分布地安裝了六個(gè)BOSE 502A會(huì)議音箱,臺(tái)口左側(cè)安裝了一個(gè)BOSE 502B低音箱。
在進(jìn)行正式分析之前,首先要在EASE中將所有音箱放置在相應(yīng)安裝位置,并調(diào)整其指向,以貼合設(shè)計(jì)需求。由于EASE中并不包含對(duì)超低音音箱的分析(分析頻率下限為125Hz),本文的分析結(jié)果代表的是觀眾席區(qū)域的揚(yáng)聲器和前場(chǎng)補(bǔ)聲揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的聲場(chǎng)性能。
(1)圖1、圖2為揚(yáng)聲器布置圖及音箱聲線覆蓋圖。
(2)圖3、圖4為總聲場(chǎng)聲壓級(jí)分布值圖。
(3)圖5為1kHz聲音的快速語(yǔ)言傳遞指數(shù)模擬圖。
(4)圖6為1kHz聲音的輔音清晰度損失率模擬圖。
(1)總體分析結(jié)果
總體分析結(jié)果如表1所示。
(2)聲學(xué)指標(biāo)
聲學(xué)指標(biāo)如表2(引用GB 50371-2006規(guī)定)所示。
(3)快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)
快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)如表3所示。
(4)輔音清晰度損失率
輔音清晰度損失率如表4所示。
(5)混響時(shí)間
結(jié)合實(shí)際裝修情況,取得側(cè)墻、頂棚裝修材料的聲學(xué)參數(shù),將這些部位的吸聲材料對(duì)降低房間混響時(shí)間的作用考慮在內(nèi)后,使用EASE軟件計(jì)算出1kHz聲音的混響時(shí)間為1.05s。此模擬計(jì)算結(jié)果符合此類多用途禮堂裝修混響時(shí)間一般不宜超過(guò)1.2s的要求。
根據(jù)以上計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果,對(duì)照擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),有以下結(jié)論:
◆ 125Hz~4kHz范圍內(nèi)的最大聲壓級(jí)高于93dB——在語(yǔ)言人聲頻率的一般范圍,即200Hz~2kHz范圍內(nèi)的最大聲壓級(jí)是高于98dB的,因此禮堂可以達(dá)到國(guó)標(biāo)人聲擴(kuò)聲一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求,但是遠(yuǎn)達(dá)不到演出時(shí)對(duì)聲壓級(jí)的要求,并且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大聲壓級(jí)達(dá)不到90dB;
表1 總體分析結(jié)果表
表2 聲學(xué)指標(biāo)表
表3 快速語(yǔ)言傳輸指數(shù)表
◆ 語(yǔ)言清晰度符合EASE參考手冊(cè)要求,聽(tīng)眾區(qū)域語(yǔ)言清晰度為“非常好”,但主席臺(tái)上的聲壓級(jí)較小,主席臺(tái)返聽(tīng)效果不理想;
◆ 傳輸頻率特性也完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求(如表2所示);
◆ 聲場(chǎng)不均勻度達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)(如表2所示);但是,盡管BOSE 502音箱的五個(gè)紙盆單元具有不同的朝向,實(shí)際測(cè)試中還是有些區(qū)域聲場(chǎng)不均勻——這與裝修的具體情況有關(guān);
◆ 音箱擺位簡(jiǎn)單,數(shù)量稀少;整個(gè)聲場(chǎng)僅有雙聲道的效果,不滿足多用途類擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)聲學(xué)特性指標(biāo)的要求。
根據(jù)需求,小禮堂要由可容納260個(gè)座椅擴(kuò)容至最少可容納350個(gè)座椅,要支持語(yǔ)言擴(kuò)聲,兼顧文藝演出,在舞臺(tái)的設(shè)計(jì)上要能滿足小型文藝演出活動(dòng)對(duì)燈光和音響的要求。建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在禮堂的體形設(shè)計(jì)和裝修設(shè)計(jì)上——基于上述需求,對(duì)禮堂進(jìn)行擴(kuò)建:拆除原有的舞臺(tái)后墻,將之向外擴(kuò)出13m,從而形成舞臺(tái)長(zhǎng)11m,寬15m,會(huì)議區(qū)長(zhǎng)40m,寬20m,舞臺(tái)兩側(cè)各保留2.5m的側(cè)臺(tái)的空間設(shè)計(jì);安裝寬12m,高4.2m的LED電子顯示屏作為背景墻,在背景墻后設(shè)演員通道,將兩側(cè)設(shè)計(jì)為舞臺(tái)側(cè)臺(tái)、化妝間和服務(wù)區(qū);把控制室調(diào)整到會(huì)議區(qū)二樓的電影放映間,通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)和觀察窗對(duì)整個(gè)會(huì)議室進(jìn)行全面掌控。
表4 輔音清晰度損失率表
舞臺(tái)燈光按功能分為基本光和效果光?;竟庥擅婀?、頂光、逆光和側(cè)光組成,效果光由電腦燈、LED燈產(chǎn)生。
(1)面光即自觀眾頂部正面投向舞臺(tái)的光,主要作用為提供舞臺(tái)上人物的正面照明及舞臺(tái)基本光鋪染,以保證觀眾能看清演員藝術(shù)形象的立體效果。
(2)頂光即自舞臺(tái)上方投向舞臺(tái)的光,由前到后分為一排頂光、二排頂光、三排頂光等,主要用于舞臺(tái)普遍照明、舞臺(tái)照度增強(qiáng)。
(3)逆光即自舞臺(tái)背景墻方向投射的光,可勾畫出人物、景物的輪廓,增強(qiáng)立體感和透明感,也可作為特定光源。
(4)側(cè)光光線從高處兩側(cè)方向投到舞臺(tái)上,即從側(cè)邊照射表演區(qū),主要用于人物、景物的兩側(cè)面照明,人物、景物立體感、輪廓感的增強(qiáng)。
根據(jù)舞臺(tái)面積及高度設(shè)計(jì)一道面光,安裝22只19度成像燈,在舞臺(tái)上空設(shè)8道燈光電動(dòng)吊桿:設(shè)3道頂光燈,每道設(shè)計(jì)8只2kW的聚光燈和7只36W×4三基色燈;設(shè)2道逆光燈,每道設(shè)計(jì)24只LED燈;設(shè)2道電腦搖頭燈吊桿,每道設(shè)計(jì)6個(gè)電腦搖頭燈;設(shè)1道天排燈電動(dòng)吊桿,設(shè)計(jì)12個(gè)天排燈。側(cè)光燈設(shè)計(jì)安裝在側(cè)光排架上,舞臺(tái)每側(cè)一道,包括8只LED燈和6只冷光燈。
會(huì)堂、報(bào)告廳、演講廳、會(huì)議廳等的建筑聲學(xué)設(shè)計(jì),在聲學(xué)要求、設(shè)計(jì)指標(biāo)和聲學(xué)處理方面都有共通之處——其設(shè)計(jì)均是以語(yǔ)言清晰度為主要著眼點(diǎn),遵循強(qiáng)吸聲、短混響原則,多用擴(kuò)聲系統(tǒng)使聽(tīng)眾獲得足夠的聲壓級(jí),還需要實(shí)現(xiàn)均勻的聲場(chǎng)分布。這些場(chǎng)所一般是按照多功能禮堂的形式進(jìn)行設(shè)計(jì),通常選用折衷的音樂(lè)指標(biāo),也就是同時(shí)兼顧語(yǔ)言清晰、音樂(lè)豐滿兩個(gè)方面的要求。
4.3.1 建筑聲學(xué)的要求
建筑聲學(xué)指標(biāo)要求主要是為了改善聲學(xué)環(huán)境,把裝修與建筑聲學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的總體要求。
(1)廳內(nèi)應(yīng)有良好的隔聲、隔振措施?!睹裼媒ㄖ袈曉O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,一級(jí)多用途大廳動(dòng)態(tài)的本底噪聲級(jí)應(yīng)不高于40dB。
(2)各廳內(nèi)建筑門窗、吊頂、玻璃、座椅、裝飾物等設(shè)施不得有共振現(xiàn)象;廳內(nèi)不得出現(xiàn)回聲、顫動(dòng)回聲、房間駐波和聲聚焦等缺陷,聲場(chǎng)擴(kuò)散應(yīng)均勻。
(3)對(duì)于500Hz~1kHz的中頻聲音,混響時(shí)間在1.2s左右為宜;對(duì)于125Hz~250Hz的低頻聲音,為使聲音聽(tīng)起來(lái)渾厚溫暖,混響時(shí)間需較中頻聲音提升20%以上。
(4)舞臺(tái)是聲源所處的位置,聲學(xué)條件猶為重要,要有控制混響、消除音質(zhì)缺陷和節(jié)約自然聲能三個(gè)方面的考慮。
4.3.2 建筑裝修措施
(1)四周墻壁、地面及吊頂?shù)奈曁幚恚何枧_(tái)后面和舞臺(tái)對(duì)面墻上安裝強(qiáng)吸音裝飾面,窗戶安裝厚窗簾;會(huì)場(chǎng)墻面(包括窗戶之間)采用木制裝修材料,填充吸音綿等吸音材料;吊頂采用雙層紙面石膏板材料。
(2)四周墻壁及吊頂?shù)母袈曁幚恚楸WC獲得良好的聽(tīng)聲環(huán)境,需進(jìn)行嚴(yán)格的隔聲處理):鋼架與墻體之間、屋頂和四周墻壁面結(jié)合處嚴(yán)格密封;輕體墻結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單輕鋼龍骨墻做一層隔聲結(jié)構(gòu)層;玻璃窗使用加厚窗戶和中空玻璃;所有門使用加厚門或?qū)S酶袈曢T;管道穿墻處使用噴涂式泡沫隔聲材料遮擋嚴(yán)實(shí),產(chǎn)生噪音的風(fēng)機(jī)管道進(jìn)行專業(yè)降噪處理。
電聲設(shè)計(jì)是利用音響設(shè)備達(dá)到改善音質(zhì)的目標(biāo)、完成擴(kuò)聲功能的基礎(chǔ)。在某些特殊情況下,電聲設(shè)備可以對(duì)建聲的缺陷進(jìn)行補(bǔ)償。
該禮堂是以會(huì)議、發(fā)言應(yīng)用為主,文藝娛樂(lè)演出為輔的廳堂,所以其擴(kuò)聲系統(tǒng)既要滿足語(yǔ)言擴(kuò)聲對(duì)語(yǔ)言清晰度的要求,也要滿足演出對(duì)音樂(lè)豐滿度的要求。禮堂的會(huì)議模式分為兩種,主席臺(tái)式和圓桌會(huì)議式;擴(kuò)聲系統(tǒng)應(yīng)滿足這兩種模式的擴(kuò)聲需求。
4.4.1 電聲設(shè)備配置方案
采用模擬仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證和推算擴(kuò)聲中最重要的音箱部分的參數(shù)、安裝位置、數(shù)量,確定系統(tǒng)初步配置方案。
配置四只全頻主音箱,分為兩組裝置于舞臺(tái)上方左右兩側(cè),起到主要擴(kuò)聲的作用。由于禮堂是平行于地面,而非階梯狀的;主音箱的擺放都應(yīng)該盡可能地升起,縮小因主音箱輻射角造成的觀眾所受主音箱輻射的能量差異,并盡可能地利用室內(nèi)其他的反射表面來(lái)加強(qiáng)后座的聲能。
主音箱下方左右兩側(cè)各落地?cái)[放一只超低音音箱和拉聲像音箱。拉聲像音箱與主音箱結(jié)合,實(shí)現(xiàn)聲像定位作用。語(yǔ)言擴(kuò)聲與文藝娛樂(lè)演出擴(kuò)聲對(duì)語(yǔ)言清晰度和豐滿度的要求不同,在使用中,操作人員可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定是否開(kāi)啟低頻音箱。
四只臺(tái)唇補(bǔ)聲音箱隱藏于舞臺(tái)臺(tái)口下方,主要對(duì)中前方區(qū)域起補(bǔ)聲的作用。兩只返聽(tīng)音箱放置于舞臺(tái)臺(tái)口兩側(cè),用于使舞臺(tái)上的表演者、發(fā)言人監(jiān)聽(tīng)到自己的聲音。兩只補(bǔ)聲音箱設(shè)置為流動(dòng)形式;在觀眾區(qū)和舞臺(tái)上預(yù)留接口,方便以后按需使用。
當(dāng)禮堂做為一個(gè)大型圓桌會(huì)議室使用時(shí),如還使用主席臺(tái)式擴(kuò)聲方式顯然不合適,所以在觀眾區(qū)布置六只壁掛會(huì)議專用音箱。
4.4.2 聲場(chǎng)分析圖
(1)圖7、圖8為揚(yáng)聲器布置及音箱聲線覆蓋圖(共四只EAW MK5364主音箱,兩只EAW FR159Z拉聲像音箱,四只EAW UB22Z臺(tái)唇補(bǔ)聲音箱,六只補(bǔ)聲音箱)。
(2)圖9為1kHz聲音的總聲場(chǎng)聲壓級(jí)分布值圖。
(3)圖10為快速語(yǔ)言傳遞數(shù)模擬圖。
(4)圖11為1kHz聲音的輔音清晰度損失率模擬圖。
4.4.3 分析結(jié)果
對(duì)各個(gè)頻率進(jìn)行分析,結(jié)果如表5所示。
根據(jù)以上計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果,對(duì)照擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo),有以下結(jié)論:
◆ 80Hz~8kHz范圍內(nèi)的最大聲壓級(jí)高于113dB,達(dá)到目標(biāo);
◆ 語(yǔ)言清晰度符合EASE參考手冊(cè)要求,聽(tīng)眾區(qū)域語(yǔ)言清晰度為“非常好”;
◆ 傳輸頻率特性(以80Hz~8kHz范圍內(nèi)的平均聲壓級(jí)為0dB,在此頻帶內(nèi)允許-2.46dB~+2.24dB;以125Hz~4kHz范圍內(nèi)的平均聲壓級(jí)為0dB,在此頻帶內(nèi)允許-2.75dB~+2.25dB)也完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求;
◆ 聲場(chǎng)不均勻度(100Hz時(shí)為1.78dB,1kHz時(shí)為4.6dB,6.3kHz時(shí)為3.24dB)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
根據(jù)以上結(jié)果可以說(shuō),本設(shè)計(jì)聲場(chǎng)模擬分析數(shù)據(jù)達(dá)到并超過(guò)GB 50371-2006規(guī)定的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是文藝演出模式還是會(huì)議模式的各相關(guān)指標(biāo)均滿足該禮堂聲學(xué)設(shè)計(jì)及測(cè)量規(guī)程中一級(jí)擴(kuò)聲標(biāo)準(zhǔn)的要求。
4.4.4 幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)
(1)在初步設(shè)計(jì)時(shí),建筑聲學(xué)要和電聲學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)。在禮堂建設(shè)之初,甚至是在創(chuàng)意階段,就應(yīng)該邀請(qǐng)聲學(xué)專家和音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)師加入建筑設(shè)計(jì)隊(duì)伍,以便建筑聲學(xué)和電聲設(shè)計(jì)在基礎(chǔ)規(guī)劃階段就能得到加強(qiáng)。建筑師和聲學(xué)設(shè)計(jì)者都有必要了解建筑形體、建筑材料對(duì)音質(zhì)的影響,只有建筑設(shè)計(jì)和聲學(xué)設(shè)計(jì)者密切配合,才能創(chuàng)造性地發(fā)揮出最高水平。
(2)在裝修階段,裝修設(shè)計(jì)要和電聲學(xué)密切配合。與國(guó)內(nèi)大多數(shù)設(shè)計(jì)者和用戶一樣,該禮堂更強(qiáng)調(diào)裝飾效果,很多音箱都采用暗藏式安裝。在這種情況下,選用阻聲性能小的裝飾網(wǎng)非常關(guān)鍵;這就要求音響工程承包者提出相應(yīng)的要求與設(shè)計(jì),并要求裝修方一起配合,共同分析禮堂的聲場(chǎng)情況,對(duì)裝修材料提出合理要求,再配以合理的電子聲學(xué)設(shè)計(jì),才能取得良好的效果。
表5 分析結(jié)果表
1 GB 50371-2006 廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范
2 GB/T 14476-1993 客觀評(píng)價(jià)廳堂語(yǔ)言可懂度的“RASTI”法
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