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Die Erfindung bezieht sich auf Wasserschallempfänger mit verringerten Störsignalen.
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Wasserschallempfänger werden z.B. bei Wasserfahrzeugen, beispielsweise Schiffen und U-Booten, eingesetzt, um mittels Sonar (sound navigation and ranging, dt.: etwa Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) die Umgebung des Wasserfahrzeugs unter Wasser zu darzustellen. Die Wasserschallempfänger sind dabei für den Empfang von Schallwellen optimiert, die aus dem das Wasserfahrzeug umgebenden Wasser auf den Wasserschallempfänger auftreffen. Allerdings sendet auch das Wasserfahrzeug selbst Schallwellen aus, die von dem Wasserschallempfänger detektiert werden. Diese Schallwellen überlagen jedoch die einfallenden Schallwellen aus dem Wasser und führen somit zu einer schlechteren Darstellung der Umgebung unter Wasser.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Wasserschallempfänger zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen einen Wasserschallempfänger zur Anordnung hinter einem Schallfenster, das ausgebildet ist, Schallwellen passieren zu lassen. Das Schallfenster, auch akustisches Fenster genannt, kann ein Material aufweisen, das gute Transmissionseigenschaften für Wasserschall aufweist, beispielsweise ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK). Das Schallfenster kann auch Teil des Wasserschallempfängers sein.
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Ein Reflektor des Wasserschallempfängers reflektiert einfallende Schallwellen, die aus Richtung des Schallfensters auf den Reflektor auftreffen. Störende Schallwellen, die von einer dem Schallfenster abgewandten Seite auf den Reflektor auftreffen, können den Reflektor jedoch passieren. Das heißt, dass der Reflektor dazu optimiert ist, die einfallenden Schallwellen zu reflektieren. Für rückseitig auftreffende (störende) Schallwellen ist der Reflektor demnach nicht optimiert, so dass diese den Reflektor (mit einer deutlich größeren Wahrscheinlichkeit) passieren können.
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Ferner weist der Wasserschallempfänger eine Vielzahl von Empfangseinheiten, auch als Hydrophone bezeichnet, auf. Die Empfangseinheiten können Schallwellen empfangen und in ein dem Schalldruck entsprechendes Ausgangssignal umwandeln. Ein erster Satz von Empfangseinheiten der Vielzahl von Empfangseinheiten ist in einem Bereich zwischen dem Schallfenster und dem Reflektor angeordnet. Ein zweiter Satz von Empfangseinheiten der Vielzahl von Empfangseinheiten ist auf einer dem ersten Satz von Empfangseinheiten abgewandten Seite des Reflektors angeordnet, sodass die Empfangseinheiten des ersten Satzes von Empfangseinheiten im Betrieb jeweils ein erstes Ausgangssignal entsprechend der Überlagerung der einfallenden und der störenden Schallwellen ausgeben und die Empfangseinheiten des zweiten Satzes von Empfangseinheiten im Betrieb jeweils ein zweites Ausgangssignal entsprechend der störenden Schallwellen ausgeben.
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Eine Signalverarbeitungseinheit des Wasserschallempfängers erhält die ersten und die zweiten Ausgangssignale und gibt, basierend auf den ersten Ausgangssignalen unter Verwendung der zweiten Ausgangssignale, ein optimiertes Ausgangssignal aus, das einen reduzierten Anteil der störenden Schallwellen enthält.
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Idee ist es, die störenden Schallwellen, die beispielsweise aus dem Inneren des Wasserfahrzeugs kommen, zu separat detektieren und diese mittels der Signalverarbeitungseinheit aus dem mit den störenden Schallwellen überlagerten Nutzsignal herauszurechnen.
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In Ausführungsbeispielen schätzt die Signalverarbeitungseinheit basierend auf den empfangenen störenden Schallwellen und der Kenntnis einer Position des ersten Satzes von Empfangseinheiten relativ zu dem zweiten Satz von Empfangseinheiten, die störenden Schallwellen an der Position des ersten Satzes von Empfangseinheiten zu und rechnet entsprechende geschätzte zweite Ausgangssignale aus den ersten Ausgangssignalen heraus, um das optimierte Ausgangssignal zu erhalten. Das Herausrechnen umfasst insbesondere das Subtrahieren der geschätzten zweiten Ausgangssignale von den ersten Ausgangssignalen. Vorteilhafterweise erfolgt das Herausrechnen individuell für die Empfangseinheiten. D.h., das Ausgangssignal der einzelnen Empfangseinheiten wird optimiert, bevor ein (gewichtetes) Summensignal, z.B. mittels Beamforming (dt. Richtungsbildung) Algorithmen erfolgt. In diesem Fall gibt die Signalverarbeitungseinheit eine Anzahl von optimierten Ausgangssignalen aus, die der Anzahl der Empfangseinheiten entspricht.
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In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, einen Pegel der störenden Schallwellen an der Position des ersten Satzes von Empfangseinheiten zu bestimmen. Dies kann z.B. durch Bestimmung des Pegels der störenden Schallwellen mittels des zweiten Satzes von Empfangseinheiten erfolgen, der um eine geschätzte Dämpfung der Schallwellen auf der Strecke von dem zweiten Satz von Empfangseinheiten zu dem ersten Satz von Empfangseinheiten, reduziert wird.
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In weiteren Ausführungsbeispielen bestimmt die Signalverarbeitungseinheit eine Richtung, aus der eine störende Schallwelle der störenden Schallwellen auf den zweiten Satz von Empfangseinheiten auftreffen, um einen Zeitpunkt zu bestimmen, an dem die störende Schallwelle auf eine Empfangseinheit des ersten Satzes von Empfangseinheiten auftrifft. Die Richtung der störenden Schallwellen kann die Signalverarbeitungseinheit mittels Beamforming aus den (zweiten) Ausgangssignalen der Empfangseinheiten des zweiten Satzes von Empfangseinheiten bestimmen.
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In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, die störenden Schallwellen unter Verwendung eines Kugelwellenausbreitungsmodells an der Position des ersten Satzes von Empfangseinheiten zu bestimmen. Das heißt, die Signalverarbeitungseinheit schätzt die Ausbreitung der störenden Schallwellen basierend auf einem Kugelwellenausbreitungsmodell. Somit können die Empfangseinheiten des ersten Satzes von Empfangseinheiten sowie der Zeitpunkt des Auftreffens auf die entsprechenden Empfangseinheiten, bestimmt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
10 2019 214 216.8 beschrieben.
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In weiteren Ausführungsbeispielen bestimmt die Signalverarbeitungseinheit basierend auf dem zweiten Ausgangssignal ein Zentrum der störenden Schallquellen. Das Zentrum der störenden Schallwellen liegt dort, wo diese erzeugt werden. Auch das Zentrum der störenden Schallwellen kann mittels des Kugelwellenausbreitungsmodells bestimmt werden. Somit kann die Schallquelle geortet werden, die für die entsprechende störende Schallwelle verantwortlich ist. Sollte es sich um eine vermeidbare Schallquelle handeln, z.B. weil etwas defekt ist, kann diese Schallquelle zuverlässig aufgefunden eliminiert werden. Insbesondere bei bemannten U-Booten ist es wichtig, alle unbekannten Schallquellen zuverlässig aufzufinden, damit das U-Boot gegenüber feindlichen Schiffen unsichtbar bleibt, d.h. von einem Sonar nicht detektiert werden kann.
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Ferner ist ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot, mit dem Wasserschallempfänger offenbart. Der Wasserschallwandler ist so angeordnet, dass der zweite Satz von Empfangseinheiten einem Innenraum des Wasserfahrzeugs zugewandt ist. Somit können störende Schallwellen aus dem Innenraum des Wasserfahrzeugs bestimmt werden. In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit des Wasserschallwandlers ausgebildet, basierend auf dem zweiten Ausgangssignal, ein Zentrum der störenden Schallquellen im Innenraum des Wasserfahrzeugs zu bestimmen.
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Weiterhin ist ein entsprechendes Verfahren zur Optimierung eines Ausgangssignals von Wasserschallempfängern offenbart. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Empfangen von Schallwellen, mit einem ersten Satz von Empfangseinheiten, die zwischen einem Schallfenster und einem Reflektor angeordnet sind; Empfangen von störenden Schallwellen mit einem zweiten Satz von Empfangseinheiten, die auf einer dem ersten Satz von Empfangseinheiten abgewandten Seite des Reflektors angeordnet sind, wobei die Empfangseinheiten des zweiten Satzes von Empfangseinheiten jeweils ein zweites Ausgangssignal basierend auf den empfangenden störenden Schallwellen ausgeben; wobei die Empfangseinheiten des ersten Satzes von Empfangseinheiten jeweils ein erstes Ausgangssignal basierend auf einer Überlagerung der empfangenen Schallwellen und der störenden Schallwellen ausgeben; Ausgeben von einem optimierten Ausgangssignal basierend auf den ersten Ausgangssignalen unter Verwendung der zweiten Ausgangssignale, wobei die optimierten Ausgangssignale einen reduzierten Anteil der störenden Schallwellen enthalten.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Seitenansicht eines Wasserschallempfängers;
- 2: eine schematische Schnittdarstellung eines Wasserfahrzeugs, hier eines U-Boots, mit dem Wasserschallempfänger.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wasserschallempfängers 20. Der Wasserschallempfänger 20 umfasst einen Reflektor 22 und eine Vielzahl von Empfangseinheiten 24. Der Reflektor 22 reflektiert einfallende Schallwellen 26. Störende Schallwellen 28 können den Reflektor 22 jedoch überwiegend passieren und werden nicht zuverlässig reflektiert. Optional ist vor dem Wasserschallempfänger 20 (bzw. als Teil des Wasserschallempfängers) ein Schallfenster 30 angeordnet, durch das die einfallenden Schallwellen 26 auf den Reflektor einfallen können. Dieses Schallfenster ist nicht notwendig, wenn die Empfangseinheiten 24 direkt dem umgebenden Wasser ausgesetzt werden. Dies ist jedoch nachteilig und führt beispielsweise zu einer schnelleren Alterung der Empfangseinheiten 24.
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Die Empfangseinheiten 24 der Vielzahl von Empfangseinheiten sind in zwei Sätze unterteilt. Ein erster Satz von Empfangseinheiten 24a ist zwischen Schallfenster 30 und Reflektor 22 angeordnet. In anderen Worten ist der Reflektor 22 zwischen einem Wasserfahrzeug (s. 2) und dem ersten Satz von Empfangseinheiten 24a angeordnet. Ein zweiter Satz von Empfangseinheiten 24b ist auf einer dem ersten Satz von Empfangseinheiten 24a bzw. dem Schallfenster 30 abgewandten Seite des Reflektors 22 angeordnet. In anderen Worten ist der zweite Satz von Empfangseinheiten 24b zwischen Reflektor 22 und Wasserfahrzeug (s. 2) angeordnet.
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Die Empfangseinheiten 24a des ersten Satzes von Empfangseinheiten geben nun jeweils ein dem Schalldruck einer Überlagerung der einfallenden Schallwellen 26 und der störenden Schallwellen 28 entsprechendes erstes Ausgangssignal 32 aus. Diese ersten Ausgangssignale 32 werden von einer Signalverarbeitungseinheit 34 erhalten. Ebenso erhält die Signalverarbeitungseinheit 34 zweite Ausgangssignale 36 von den Empfangseinheiten 24b des zweiten Satzes von Empfangseinheiten. Die zweiten Ausgangssignale 36 entsprechen dem Schalldruck der störenden Schallwellen, an der Position der entsprechenden Empfangseinheit 24b des zweiten Satzes von Empfangseinheiten. Basierend auf den ersten Ausgangssignalen 32 unter Verwendung der zweiten Ausgangssignale 36 gibt die Signalverarbeitungseinheit nun ein optimiertes Ausgangssignal 38 aus, das einen reduzierten Anteil der störenden Schallwellen 28 enthält. Typischerweise ist die Anzahl der ausgegebenen optimierten Ausgangssignale identisch mit der Anzahl der ersten Ausgangssignale 32, d.h. der Anzahl der Empfangseinheiten 24a des ersten Satzes von Empfangseinheiten. Anschließend kann basierend auf dem optimierten Ausgangssignal eine weitere Signalverarbeitung anschließen die aufgrund des geringeren Anteils der störenden Schallwellen in dem optimierten Ausgangssignal 38, verbessert wird.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Wasserfahrzeugs 40. Das optionale Schallfenster 30 ist hier Teil einer Außenhülle 42, die eine Kontur des Wasserfahrzeugs 40 formt. Die Empfangseinheiten 24b des zweiten Teils von Empfangseinheiten sind dem Inneren des Wasserfahrzeugs zugeordnet. So können diese die störenden Schallwellen 28, die von dem Wasserfahrzeug ausgesendet werden, detektieren. Beispielsweise ist es so möglich, eine Schallquelle 44, die störende Schallwellen 28 aussendet, bzw. ein Zentrum der störenden Schallwellen zu lokalisieren und sofern möglich zu eliminieren.
Die offenbarten (Wasser-) Schallempfänger sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallempfänger sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Als sensorisches Material weisen die Schallempfänger z.B. ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallempfänger können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und - Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallempfänger sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Wasserschallempfänger
- 22
- Reflektor
- 24
- Empfangseinheiten
- 26
- einfallende Schallwellen
- 28
- störende Schallwellen
- 30
- Schallfenster
- 32
- erste Ausgangssignale
- 34
- Signalverarbeitungseinheit
- 36
- zweite Ausgangssignale
- 38
- optimiertes Ausgangssignal
- 40
- Wasserfahrzeug
- 42
- Außenhülle
- 44
- Schallquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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