DE102018219729A1 - Device for determining at least one parameter of a fluid medium flowing in a flow tube - Google Patents
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Abstract
Der Vorschlag betrifft Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Luftmasse in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung (10) ein Sensorgehäuse (12) aufweist, das als ein in das Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbaren Steckfühler ausgebildet ist, wobei in dem Sensorgehäuse (12) eine Kanalstruktur (14) ausgebildet ist, die einen Messkanal (24) und mindestens einen in dem Messkanal (24) angeordneten Sensorchip (34) zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse (12) einen Einlass (16) in die Kanalstruktur (14), der einer Hauptströmungsrichtung (18) des in dem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass (28) aus der Kanalstruktur (14) aufweist, wobei die Kanalstruktur (14) von Wandabschnitten (50) begrenzt wird. Es wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Wandabschnitt (51) der Kanalstruktur (14) mit wenigstens einem als Resonator ausgebildeten Schallabsorber (60) versehen ist.The proposal relates to a device for determining at least one parameter of a fluid medium flowing in a flow tube, in particular an air mass in an intake line of an internal combustion engine, the device (10) having a sensor housing (12) which is designed as a plug-in sensor which can be inserted or inserted into the flow tube A channel structure (14) is formed in the sensor housing (12), which has a measuring channel (24) and at least one sensor chip (34) arranged in the measuring channel (24) for determining the parameter of the fluid medium, the sensor housing ( 12) an inlet (16) into the channel structure (14), which faces a main flow direction (18) of the fluid medium flowing in the flow tube, and has at least one outlet (28) from the channel structure (14), the channel structure (14) is limited by wall sections (50). It is proposed that at least one wall section (51) of the channel structure (14) be provided with at least one sound absorber (60) designed as a resonator.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich um physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom des strömenden Mediums handeln.Devices for determining at least one flow property of fluid media, that is to say liquids and / or gases, are known from the prior art. The flow properties as a possible parameter can be physical and / or chemical measurable properties which qualify or quantify a flow of the fluid medium. In particular, it can be a flow velocity and / or a mass flow of the flowing medium.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser beschrieben, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146-148, bekannt sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silizium-Sensorchip, beispielsweise mit einer Sensormembran als Messoberfläche, welcher von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind, wobei ein Temperaturfühler stromaufwärts des Heizelements und ein weiterer Temperaturfühler stromabwärts des Heizelements angeordnet ist. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden.The invention is described below in particular with reference to so-called hot film air mass meters, as are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in a Motor Vehicle, 1st Edition 2010, pages 146-148. Such hot film air mass meters are generally based on a sensor chip, in particular a silicon sensor chip, for example with a sensor membrane as the measuring surface, over which the flowing fluid medium can flow. The sensor chip generally comprises at least one heating element and at least two temperature sensors, which are arranged, for example, on the measuring surface of the sensor chip, one temperature sensor being arranged upstream of the heating element and another temperature sensor being arranged downstream of the heating element. A mass flow and / or volume flow of the fluid medium can be concluded from an asymmetry of the temperature profile detected by the temperature sensors, which is influenced by the flow of the fluid medium.
Das Sensorgehäuse des Heißfilmluftmassenmessers wird üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. The sensor housing of the hot film air mass meter is usually designed as a plug-in sensor, which can be inserted into a flow tube in a fixed or exchangeable manner.
Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um eine Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine handeln.For example, this flow tube can be an intake line of an internal combustion engine.
In dem Sensorgehäuse kann Kanalstruktur ausgebildet sein, die einen Messkanal, und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist. Das Sensorgehäuse weist einen Einlass in die Kanalstruktur auf, welcher im montierten Zustand des Sensorgehäuses in der Ansaugleitung einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums in der Ansaugleitung entgegenweist, und mindestens einen Auslass.Channel structure can be formed in the sensor housing, which has a measuring channel and at least one sensor chip arranged in the measuring channel for determining the parameter of the fluid medium. The sensor housing has an inlet into the channel structure, which in the installed state of the sensor housing in the suction line points against a main direction of flow of the fluid medium in the suction line, and at least one outlet.
Ein Teilstrom des in dem Strömungsrohr strömenden Mediums gelangt durch den Einlass in einen Bypasskanal der Kanalstruktur. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bypasskanals weist der Bypasskanal eine Verzeigungsstelle auf, an welcher ein Messkanal von dem Bypasskanal abzweigt. Der Messkanal weist einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des eingetretenen Medienstroms auf, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der Messkanal mündet schließlich wieder in den Bypasskanal oder einen am Sensorgehäuse vorgesehenen eigenen Auslass.A partial flow of the medium flowing in the flow tube passes through the inlet into a bypass channel of the channel structure. Between the inlet and the outlet of the bypass channel, the bypass channel has a branch point at which a measuring channel branches off from the bypass channel. The measuring channel has a curved section for deflecting the media flow that has entered, the curved section subsequently merging into a section in which the sensor chip is arranged. Finally, the measuring channel opens into the bypass channel or into a separate outlet provided on the sensor housing.
Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen einer Vielzahl von Anforderungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine hauptsächliche Herausforderung darin, die Signalqualität sowie die Robustheit der Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertöpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstigen Festkörperpartikeln weiter zu verbessern. Im Betrieb einer derartigen Vorrichtung kann es außerdem in der Ansaugleitung zu einer hochfrequenten akustischen Störung kommen, die ihren Ursprung beispielsweise in einem an die Ansaugleitung angebundenen Abgasturbolader haben kann. Die hochfrequente Druckpulsation der Ansaugleitung kann mit der Luft in der Kanalstruktur der Vorrichtung zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters wechselwirken und dort eine nachteilige Resonanzschwingung hervorrufen. Die Resonanzschwingung ist abhängig von der Geometrie der Kanalstruktur des Sensorgehäuses und kann bei derartigen Vorrichtungen in einem Frequenzbereich im Kiloherzbereich auftreten. Die Resonanzschwingung kann starke Geschwindigkeitsschwankungen der im Messkanal strömenden Luft bewirken, was insgesamt dazu führen kann, dass die Vorrichtung aufgrund ihrer thermischen Trägheit den Messwert nicht richtig erfassen kann.Such hot film air mass meters must meet a variety of requirements. In addition to the goal of reducing the pressure drop across the hot film air mass meter as a whole by means of suitable fluidic designs, the main challenge is to further improve the signal quality and the robustness of the devices against contamination by oil and water pots as well as soot, dust and other solid particles. In the operation of such a device, a high-frequency acoustic disturbance may also occur in the intake line, which may originate, for example, in an exhaust gas turbocharger connected to the intake line. The high-frequency pressure pulsation of the intake line can interact with the air in the channel structure of the device for determining the at least one parameter and cause an adverse resonance oscillation there. The resonance vibration is dependent on the geometry of the channel structure of the sensor housing and can occur in such devices in a frequency range in the kilohertz range. The resonance oscillation can cause large fluctuations in the speed of the air flowing in the measuring channel, which overall can lead to the device not being able to correctly record the measured value due to its thermal inertia.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einem Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Luftmasse in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine, weist ein Sensorgehäuse auf, das als ein in ein Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbaren Steckfühler ausgebildet ist. In dem Sensorgehäuse ist eine Kanalstruktur ausgebildet ist, die einen Messkanal und mindestens einen in dem Messkanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei das Sensorgehäuse einen Einlass in die Kanalstruktur, der einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums entgegenweist, und mindestens einen Auslass aus der Kanalstruktur aufweist, wobei die Kanalstruktur von Wandabschnitten begrenzt wird. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Wandabschnitt der Kanalstruktur mit wenigstens einem als Resonator ausgebildeten Schallabsorber versehen ist.The device according to the invention for determining at least one parameter of a fluid medium flowing in a flow tube, in particular an air mass in an intake line of an internal combustion engine, has a sensor housing which is designed as a plug-in sensor which can be inserted or inserted into a flow tube. A channel structure is formed in the sensor housing, which has a measuring channel and at least one sensor chip arranged in the measuring channel for determining the parameter of the fluid medium, the sensor housing having an inlet into the channel structure which points against a main direction of flow of the fluid medium, and at least one outlet from the channel structure, the channel structure being delimited by wall sections. According to the invention, at least one wall section of the channel structure is provided with at least one sound absorber designed as a resonator.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch den als Resonator ausgebildeten wenigstens einen Schallabsorber lässt sich vorteilhaft eine hochfrequente Geschwindigkeitsfluktuation der in der Kanalstruktur strömenden Luft abschwächen oder ganz vermeiden. Dadurch lässt sich ein fehlerhaftes Messsignal zuverlässiger vermeiden und die Robustheit der Verrichtung gegenüber hochfrequenten Druckpulsationen steigern.A high-frequency fluctuation in the speed of the air flowing in the duct structure can advantageously be weakened or avoided entirely by the at least one sound absorber designed as a resonator. In this way, a faulty measurement signal can be avoided more reliably and the robustness of the performance compared to high-frequency pressure pulsations is increased.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.Advantageous refinements and developments of the invention are made possible by the features contained in the dependent claims.
Der Schallabsorber kann beispielsweise als Helmholtz-Resonator, als Herschel-Quincke-Resonator oder als einfaches Lambda/4-Rohr ausgebildet sein. Die beiden letztgenannten Fälle nutzen eine destruktive Welleninterferenz zur Schallabsorption.The sound absorber can be designed, for example, as a Helmholtz resonator, as a Herschel-Quincke resonator or as a simple lambda / 4 tube. The latter two cases use destructive wave interference to absorb sound.
Besonders vorteilhaft ist jedoch die Ausbildung als Helmholtz-Resonator. Dabei kann der wenigstens eine Schallabsorber in einfacher und kostensparender Ausführung durch eine Kavität in dem Sensorgehäuse ausgebildet sein, wobei die Kavität ein Luftvolumen umgibt und nur über einen Verbindungskanal, der in dem wenigstens einen Wandabschnitt ausgebildet ist, mit der Kanalstruktur in Verbindung steht. Bei einer derartigen Ausbildung des Schallabsorbers als Helmholz-Resonator bildet die Masse der in dem Verbindungskanal enthaltenen Luft mit der Elastizität des in der Kavität enthaltenen Luftvolumens quasi ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist, welche die Eigenfrequenz des wenigstens einen Schallabsorbers ist.However, training as a Helmholtz resonator is particularly advantageous. The at least one sound absorber can be designed in a simple and cost-saving manner through a cavity in the sensor housing, the cavity surrounding an air volume and being connected to the channel structure only via a connecting channel which is formed in the at least one wall section. With such a design of the sound absorber as a Helmholz resonator, the mass of the air contained in the connecting duct forms, with the elasticity of the air volume contained in the cavity, quasi an oscillatory mass-spring system which has at least one natural frequency which is the natural frequency of the at least one sound absorber is.
Besonders vorteilhaft ist diese wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers an eine Resonanzfrequenz der in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung beziehungsweise an die Resonanzfrequenz der Druckpulsation angepasst, so dass die Oszillation der in der Kanalstruktur mit der Resonanzfrequenz schwingenden Luftströmung durch den Schallabsorber gedämpft wird. Dies wird vorteilhaft dadurch bewirkt, dass die in der Oszillation enthaltene Energie nach dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators zur Anregung des Schallabsorbers in der Eigenfrequenz aufgewandt wird. Dadurch wird diese Energie letztlich in dem Schallabsorber in Wärme umgewandelt und dadurch absorbiert. Hierzu reicht es aus, dass die Resonanzfrequenz der Oszillation in etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Schallabsorbers liegt. Im Idealfall entspricht die wenigstens eine Eigenfrequenz des Schallabsorbers der Resonanzfrequenz des in der Kanalstruktur im Betrieb auftretenden Oszillation der Luftströmung, beziehungswiese kommt dieser möglichst nahe.This at least one natural frequency of the sound absorber is particularly advantageously adapted to a resonance frequency of the oscillation of the air flow occurring in operation in the channel structure or to the resonance frequency of the pressure pulsation, so that the oscillation of the air flow oscillating in the channel structure with the resonance frequency is damped by the sound absorber. This is advantageously brought about by the fact that the energy contained in the oscillation is used according to the principle of a Helmholtz resonator to excite the sound absorber at the natural frequency. As a result, this energy is ultimately converted into heat in the sound absorber and thereby absorbed. It is sufficient for this that the resonance frequency of the oscillation lies approximately in the range of the natural frequency of the sound absorber. Ideally, the at least one natural frequency of the sound absorber corresponds to the resonance frequency of the oscillation of the air flow occurring in operation in the channel structure, or it comes as close as possible to this.
Ein derartiger Schallabsorber ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Vorrichtung einsetzbar, die eine Kanalstruktur mit einem Bypasskanal und einen an einer Verzweigungsstelle von dem Bypasskanal abzweigenden Messkanal aufweist. Bei derartigen Vorrichtungen gelangt ein Teilstrom des Mediums durch den Einlass zunächst in den Bypasskanal der Kanalstruktur und durch den Bypasskanal zu einem Auslass aus der Kanalstruktur. Die in den Bypasskanal eingetretene Luft wird teilweise an einer Verzweigungsstelle abgezweigt und tritt dort in den eigentlichen Messkanal ein. Die Verzweigungsstelle ist derart ausgebildet, dass große Fliehkraftkräfte auf die abgezweigte Luftströmung einwirken, so dass relativ schwere Partikel, wie beispielsweise Verunreinigungen, aufgrund der Massenträgheit unter Beibehalten ihrer Flugbahn in dem Bypasskanal weiter zum Auslass transportiert werden, während die relativ leichten Luftmoleküle verstärkt umgelenkt und dem Messkanal zugeführt werden. Daher ist die Luft im Messkanal sauberer als im Bypasskanal. Durch die Anordnung des Schallaborbers im Messkanal wird vorteilhaft erreicht, dass der Verbindungskanal des Schallabsorbers vor Verunreinigungen geschützt wird, so dass die Zuverlässigkeit der Wirkungsweise Schallabsorbers im Betrieb erhöht wird.Such a sound absorber can be used particularly advantageously in connection with a device which has a channel structure with a bypass channel and a measuring channel branching off from the bypass channel at a branching point. In such devices, a partial flow of the medium first passes through the inlet into the bypass channel of the channel structure and through the bypass channel to an outlet from the channel structure. The air that has entered the bypass duct is partially branched off at a branching point and enters the actual measuring duct there. The branching point is designed in such a way that large centrifugal forces act on the branched-off air flow, so that relatively heavy particles, such as impurities, are transported further to the outlet due to the inertia while maintaining their trajectory in the bypass channel, while the relatively light air molecules are redirected and redirected Measurement channel are fed. The air in the measuring duct is therefore cleaner than in the bypass duct. The arrangement of the sound absorber in the measuring channel advantageously ensures that the connecting channel of the sound absorber is protected from contamination, so that the reliability of the mode of operation of the sound absorber during operation is increased.
Der wenigstens eine Schallabsorber kann in einfacher Weise in einem Wandabschnitt des Messkanals ausgebildet sein. Da das Sensorgehäuse oftmals aus Kunststoff gefertigt wird, ist es relativ einfach eine zusätzliche Kavität in diesem Kunststoff vorzusehen, welche über einen definierten Verbindungskanal mit dem Messkanal in Fluidverbindung steht.The at least one sound absorber can be formed in a simple manner in a wall section of the measuring channel. Since the sensor housing is often made of plastic, it is relatively easy to provide an additional cavity in this plastic, which is in fluid communication with the measuring channel via a defined connecting channel.
In vorteilhafter Weise ist der wenigstens eine Schallabsorber stromabwärts des Sensorchips und stromaufwärts von dem Auslass in das Sensorgehäuse integriert, da in diesem Abschnitt genug Platz für die Integration des Schallabsorbers in das Sensorgehäuse besteht und an dieser Stelle bevorzugt kritische Resonanzschwingungen auftreten können.The at least one sound absorber is advantageously integrated into the sensor housing downstream of the sensor chip and upstream of the outlet, since in this section there is enough space for the integration of the sound absorber into the sensor housing and critical resonance vibrations can preferably occur at this point.
In einem Ausführungsbeispiel können mehrere Schallabsorber in der Kanalstruktur vorgesehen sein. Diese können unterschiedlich dimensioniert sein, das heißt mit unterschiedlichen geometrischen Dimensionen der Kavität und/oder der Länge und des Durchmessers des Verbindungskanals ausgebildet sein. Aus der unterschiedlichen Dimensionierung resultieren unterschiedliche Eigenfrequenzen, so dass in der Kanalstruktur hochfrequente Fluktuationen, die mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen können, absorbiert werden.In one embodiment, several sound absorbers can be provided in the channel structure. These can be dimensioned differently, that is to say they can be designed with different geometric dimensions of the cavity and / or the length and the diameter of the connecting channel. From the different dimensions result in different natural frequencies, so that high-frequency fluctuations, which can have several different resonance frequencies, are absorbed in the channel structure.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorderseite einer Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Messkanal strömenden fluiden Mediums, wobei die Vorrichtung als ein in ein Strömungsrohr eingebrachter oder einbringbarer Steckfühler ausgebildet ist,1 1 shows a perspective view of a front side of a device for determining at least one parameter of a fluid medium flowing through a measuring channel, the device being designed as a plug-in sensor which can be inserted or inserted into a flow tube, -
2 zeigt einen Blick auf die gleiche Vorderseite der Vorrichtung aus1 bei abgenommenem Elektronikraumdeckel und ohne den Messkanaldeckel,2nd shows a view of the same front of the device1 with the electronics compartment cover removed and without the measuring duct cover, -
3 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Ausschnitts eines Sensorgehäuses für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Steckfühler mit einer Kanalstruktur, in der wenigstens ein als Helmholtz-Resonator ausgebildeten Schallabsorber vorgesehen ist.3rd shows a perspective partial view of a section of a sensor housing for a plug-in sensor designed according to the invention with a channel structure in which at least one sound absorber designed as a Helmholtz resonator is provided.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Vorrichtung
Die Wandabschnitte
Ein Helmholtz-Resonator besteht aus einem Luftvolumen in beliebiger Form, das über einen Verbindungskanal mit einer Öffnung nach außen versehen ist. Die träge Masse der in dem Verbindungskanal befindlichen Luft beträgt:
- L die Länge des Verbindungskanals,
- Ao die Querschnittsfläche des Verbindungskanals und
- po die Dichte der Luft ist.
- L the length of the connecting channel,
- Ao the cross-sectional area of the connecting channel and
- po is the density of the air.
Die träge Masse m der in dem Verbindungskanal enthaltenen Luft bildet mit der Elastizität des in der Kavität enthaltenen Luftvolumens quasi ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System aus, das wenigstens eine Eigenfrequenz aufweist.The inertial mass m of the air contained in the connecting channel forms, with the elasticity of the air volume contained in the cavity, a quasi oscillatory mass-spring system which has at least one natural frequency.
Ist der Verbindungskanal beispielsweise annährend zylindrisch ausgebildet, so weist ein derartiges System eine Eigenfrequenz fo auf, für die gilt:
- V das umschlossene Luftvolumen in der Kavität ist,
- c die Schallgeschwindigkeit des Mediums und
- R der Radius des Verbindungskanals ist.
- V is the enclosed volume of air in the cavity,
- c the speed of sound of the medium and
- R is the radius of the connecting channel.
Der wenigstens eine Schallabsorber kann in einfacher und kostensparender Ausführung durch eine ein Luftvolumen V umgebende Kavität in dem Sensorgehäuse ausgebildet sein, wobei die Kavität nur über einen einzigen Verbindungskanal, der in dem wenigstens einen Wandabschnitt ausgebildet ist, mit der Kanalstruktur in Verbindung steht. In
Die Eigenfrequenz des Schallabsorbers
Vorzugsweise ist der Schallabsorber
Weiterhin ist in einer weiteren Ausführungsform auch möglich, mehrere Schallabsorber an unterschiedlichen Stellen der Kanalstruktur
Es ist ferner möglich, aber nicht notwendig, den wenigsten einen Schallabsorber in anderen Ausführungsformen beispielsweise nach dem Wirkprinzip von Lambda/4-Rohren oder Herschel-Quincke-Resonatoren zu gestalten. Beide Ausführungsformen basieren auf dem Prinzip der destruktiven Welleninterferenz.It is also possible, but not necessary, to design at least one sound absorber in other embodiments, for example according to the operating principle of lambda / 4 tubes or Herschel-Quincke resonators. Both embodiments are based on the principle of destructive wave interference.
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