JP2007201624A - Modulator for super-directivity speaker - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、可聴音声の超指向性放射を放射器に行わせる超指向性スピーカ用変調器に関するものである。 The present invention relates to a modulator for a super-directional speaker that causes a radiator to perform super-directional radiation of audible sound.
従来の超指向性スピーカ用変調器は、変調信号源の生成した音声信号を二重積分器で処理してから係数器で定倍し、加算器を用いて係数器の出力信号と直流源のバイアスとを加算する。平方根変換器を用いて加算器の出力信号に平方根処理を施す。掛算器を用いて平方根変換器の出力信号と超音波帯域発振器の生成した超音波信号とを掛算して振幅変調を行い、変調信号を生成している。この後、当該変調器から出力された変調信号をパワーアンプによって増幅し、増幅した信号を超音波エミッタ即ち超音波の放射器に供給して超音波を発生/放射する。この超音波は、空気中を伝搬するとき非線形相互作用によって可聴音声へ自己復調し、超音波の放射範囲内のみで聴こえる可聴音声が生じる。
二重積分器は、自己復調した可聴音声の音圧が原変調信号の二階微分に比例すること、即ち、可聴音声の音圧レベルが周波数の二乗に比例して上昇することから、このような音圧特性を補正するために用いられている。つまり、予め可聴音声信号を二重積分してから変調信号を生成し、この変調信号の音声再生を行ったとき、その音圧が元の変調信号に比例するようにしている(例えば、特許文献1参照)。
A conventional superdirective speaker modulator processes a sound signal generated by a modulation signal source with a double integrator, then multiplies it with a coefficient unit, and uses an adder to output the coefficient signal from the coefficient source and the DC source. Add the bias. A square root converter is used to perform square root processing on the output signal of the adder. A multiplier is used to multiply the output signal of the square root converter and the ultrasonic signal generated by the ultrasonic band oscillator to perform amplitude modulation, thereby generating a modulation signal. Thereafter, the modulation signal output from the modulator is amplified by a power amplifier, and the amplified signal is supplied to an ultrasonic emitter, that is, an ultrasonic radiator to generate / radiate ultrasonic waves. This ultrasonic wave self-demodulates into an audible sound by non-linear interaction when propagating in the air, and an audible sound that can be heard only within the ultrasonic radiation range is generated.
The double integrator is such that the sound pressure of the self-demodulated audible sound is proportional to the second derivative of the original modulation signal, that is, the sound pressure level of the audible sound increases in proportion to the square of the frequency. Used to correct sound pressure characteristics. In other words, when a modulated signal is generated after double integration of an audible sound signal in advance, and the sound of the modulated signal is reproduced, the sound pressure is proportional to the original modulated signal (for example, Patent Documents). 1).
図4は、従来の超指向性スピーカ用変調器の動作を示す説明図である。この図は、従来の超指向性スピーカ用変調器を、増幅器を介して超音波の放射器へ接続して動作させたときの周波数特性を示したものである。図示したグラフの縦軸は相対レベル[dB]を表し、放射器から空気中へ出力される可聴音声の音圧レベルなどをデシベル表示によって表したものである。また、横軸は対数スケールを用いて表した可聴音声帯域の周波数[Hz]である。
放射器へ入力する電圧、即ち放射器の端子間電圧を一定として各周波数の信号を再生したとき、前述のように可聴音声の音圧レベルは周波数の二乗に比例して上昇することから、理論上では図示した特性Aのように出力音声の周波数が高くなるほど例えば+12[dB/octave]の増加率で放射器から放射される音圧レベルが上昇する。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the operation of a conventional superdirective speaker modulator. This figure shows the frequency characteristics when a conventional superdirective speaker modulator is operated by being connected to an ultrasonic radiator via an amplifier. The vertical axis of the illustrated graph represents the relative level [dB], and the sound pressure level of the audible sound output from the radiator into the air is expressed in decibels. The horizontal axis represents the frequency [Hz] of the audible sound band expressed using a logarithmic scale.
Since the sound pressure level of audible sound rises in proportion to the square of the frequency as described above when the voltage input to the radiator, that is, the signal between the terminals of the radiator is reproduced and the signal of each frequency is reproduced, theoretically, The sound pressure level radiated from the radiator increases with an increase rate of, for example, +12 [dB / octave] as the frequency of the output sound increases as shown in the characteristic A in the figure.
また、上記の放射器の動作と同一条件下において、前述の二重積分器を使用して動作させたときには、二重積分器は破線で示した特性Bのように周波数が高くなるほど出力信号のレベルが低くなる伝送特性を有しているので、二重積分器を用いた場合には放射器から放射される音圧レベルが周波数によらず一定になる。このように、理論上では図示した特性Cのように平坦な音圧レベル/周波数特性を有することになる。 Further, when the above-mentioned double integrator is operated under the same conditions as the operation of the above-described radiator, the double integrator has a higher output signal as the frequency becomes higher as shown by the characteristic B shown by the broken line. Since the transmission characteristic has a low level, when a double integrator is used, the sound pressure level radiated from the radiator becomes constant regardless of the frequency. In this way, theoretically, it has a flat sound pressure level / frequency characteristic like the characteristic C shown in the figure.
図5は、超指向性スピーカの超音波帯域の周波数特性を示す説明図である。図5に示したグラフの縦軸は相対レベル[dB]を表し、放射器から空気中へ放射される超音波の音圧レベルをデシベル表示によって表したものである。また、横軸は対数スケールを用いて表した超音波の周波数[Hz]である。以下、説明を付記したものを除いて音圧レベル/周波数特性を周波数特性と記載する。
上記の超指向性スピーカ、詳しくは超音波の放射器は、超音波振動子によって超音波を発生させていることから、超音波帯域において、図5に示した破線Fのような平坦な周波数特性を有さず、実際には特性Gのような狭帯域においてピークが生じる周波数特性を有している。放射器を駆動する変調器は、放射器の特性Gのピーク周波数をキャリア周波数として使用して超音波の発生効率を高め、放射された超音波が自己復調したとき高い音圧の可聴音声が得られるようにしている。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the frequency characteristics of the ultrasonic band of the superdirective speaker. The vertical axis of the graph shown in FIG. 5 represents the relative level [dB], and represents the sound pressure level of the ultrasonic wave radiated from the radiator into the air by the decibel display. The horizontal axis represents the ultrasonic frequency [Hz] expressed using a logarithmic scale. Hereinafter, the sound pressure level / frequency characteristics will be referred to as frequency characteristics except for those described with an explanation.
The above super directional speaker, more specifically, the ultrasonic radiator, generates ultrasonic waves by an ultrasonic transducer. Therefore, in the ultrasonic band, a flat frequency characteristic as indicated by a broken line F shown in FIG. In fact, it has a frequency characteristic in which a peak occurs in a narrow band like the characteristic G. The modulator that drives the radiator uses the peak frequency of the characteristic G of the radiator as the carrier frequency to increase the generation efficiency of the ultrasonic wave, and an audible sound with a high sound pressure is obtained when the emitted ultrasonic wave is self-demodulated. I am trying to do it.
従来の超指向性スピーカ用変調器は以上のように構成されており、当該変調器に増幅器を介して接続されている放射器は、超音波帯域の周波数特性として図5に示した特性Gのようにピーク周波数即ち共振周波数を有している。また、可聴音声帯域の周波数特性は、実際には図4に示した特性Dのようになり、可聴音声帯域の低域から中域にかけて前述の+12[dB/octave]の割合で音圧レベルが増加せず、或る周波数以上の中高域では上記の低域よりも緩く増加し、増加率が急激に小さくなって概ね一定あるいは微細な減少になる。従って二重積分器を用いて周波数特性を補正した場合には、放射される可聴音声帯域の周波数特性は図4の特性Eのようになり、可聴音声帯域の低域は強調されるが中高域では音圧が不足してしまい、可聴音声帯域の周波数特性を適切に補正することが難しいという課題があった。 The conventional superdirective speaker modulator is configured as described above, and the radiator connected to the modulator via an amplifier has the characteristic G shown in FIG. 5 as the frequency characteristic of the ultrasonic band. Thus, it has a peak frequency, that is, a resonance frequency. Further, the frequency characteristic of the audible voice band is actually the characteristic D shown in FIG. 4, and the sound pressure level is in the above-mentioned ratio of +12 [dB / octave] from the low to middle of the audible voice band. It does not increase, and it increases more slowly in the middle and high range above a certain frequency than the above low range, and the rate of increase decreases rapidly, resulting in a generally constant or fine decrease. Therefore, when the frequency characteristic is corrected by using a double integrator, the frequency characteristic of the audible audio band to be radiated is as shown by the characteristic E in FIG. However, the sound pressure is insufficient, and there is a problem that it is difficult to appropriately correct the frequency characteristics of the audible voice band.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、超音波を搬送波とした可聴音声を示す変調信号を適切に補正して放射器を動作させる超指向性スピーカ用変調器を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a modulator for a super-directional speaker that operates a radiator by appropriately correcting a modulation signal indicating audible sound using ultrasonic waves as a carrier wave. For the purpose.
この発明に係る超指向性スピーカ用変調器は、振幅変調手段から変調信号を入力し当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを補正して増幅手段へ出力する補正フィルタを備えたものである。 A superdirective speaker modulator according to the present invention is a correction filter that receives a modulation signal from an amplitude modulation means, corrects the signal level of the sideband of the ultrasonic band included in the modulation signal, and outputs the signal to the amplification means. It is equipped with.
この発明によれば、振幅変調手段から変調信号を入力し当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを補正フィルタにより補正するようにしたので、超音波から自己復調する可聴音声の音圧レベルを高め、聴取者が良好に聴取できる可聴音声を超指向性放射することができるという効果がある。 According to the present invention, the modulation signal is input from the amplitude modulation means, and the signal level of the side band of the ultrasonic band included in the modulation signal is corrected by the correction filter. The sound pressure level of the sound is increased, and an audible sound that can be heard well by the listener can be emitted in a superdirective manner.
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による超指向性スピーカ用変調器の概略構成を示すブロック図である。図示した超指向性スピーカ用変調器は、可聴音声信号を生成する音源1、音源1から可聴音声信号を入力する係数器2、可聴音声信号に加えるバイアス量を示す信号を発生する直流源3、係数器2から出力された可聴音声信号に直流源3からのバイアス量を加算する加算器4、加算器4の出力信号に平方根処理を施す平方根変換器5、搬送波として用いる超音波を示す信号を発生する超音波帯域発振器6、平方根変換器5の出力信号と超音波帯域発振器6の出力信号とを乗算する乗算器7、乗算器7の出力信号が示す音声レベルを補正する補正フィルタ8を備える。なお、上記の係数器2、直流源3、加算器4、平方根変換器5、超音波帯域発振器6、及び、乗算器7によって、可聴音声信号を用いた振幅変調を行う振幅変調部20が構成されている。また、この発明のパラメトリックスピーカ用変換器は、例えば上記の振幅変調部20と補正フィルタ8によって構成されている。補正フィルタ8の出力信号は、増幅器9へ入力され、増幅器9の出力信号は放射器10へ入力されるように接続されている。
An embodiment of the present invention will be described below.
1 is a block diagram showing a schematic configuration of a superdirective speaker modulator according to
補正フィルタ8は、任意の周波数特性を容易に設定することが可能な例えばデジタルフィルタである。なお、補正フィルタ8は、超音波帯域を示す信号を取り扱うことから20kHz〜100kHz程度の周波数に作用することができるもので、デジタルフィルタとして動作するソフトウエアを備えたパソコンやDSP搭載のボードなど、どのような形態のものでもよい。また、上記のデジタルフィルタと同様な特性を有するアナログフィルタによって構成してもよい。
放射器10は、例えば多数の圧電セラミック素子を振動子として備えたパラメトリックスピーカで、入力した変調信号に応じて上記の各圧電セラミック素子を振動させて超音波を発生する超音波の放射器である。
The
The
次に動作について説明する。
図1に示した変調器は、例えば次のように動作する。係数器2は、音源1の発生した可聴音声信号v(t)を入力して、この信号に変調の度合いとして予め設定されている係数mを乗算する。加算器4は、直流源3が発生した信号の示すバイアス量、例えばバイアス値1を係数器2の出力信号m・v(t)へ加算する。平方根変換器5は、加算器4の出力信号1+m・v(t)を平方根処理し、{1+m・v(t)}1/2を求める。乗算器7は、超音波帯域発振器6の生成した超音波を示す信号に平方根変換器5の出力信号{1+m・v(t)}1/2を乗算処理して変調信号を生成する。
Next, the operation will be described.
For example, the modulator shown in FIG. 1 operates as follows. The
このようにして音源1が発生させた可聴音声信号v(t)の振幅変調を行い、空気中へ放射したとき超音波から可聴音声へ自己復調する、即ち超音波を搬送波とした可聴音声を表す変調信号を生成する。この変調信号は補正フィルタ8へ入力され、信号レベルが後述するように補正される。
増幅器9は、補正フィルタ8によってレベル補正が成された変調信号を入力し、放射器10を駆動することができる電力レベルへ増幅する。放射器10は、増幅器9によって増幅された変調信号に応じて超音波を発生させ、空気中へ放射する。
The amplitude of the audible sound signal v (t) generated by the
The
一般に振幅変調を行うと、キャリア周波数と共に当該キャリア周波数の周辺の周波数帯域、即ちサイドバンドが生じる。この発明の超指向性スピーカ用変調器の変調動作でもサイドバンドが生じ、生成した変調信号にはサイドバンドの周波数成分が含まれている。
ここで説明している変調器は、搬送波の超音波を可聴音声信号で振幅変調しており、このような変調処理を行うと、搬送波の周波数即ちキャリア周波数を中心として、その上下両側にサイドバンドが生じる。通常の振幅変調では、例えばキャリア周波数が30kHz〜50kHzのいずれかであれば、サイドバンドは当該キャリア周波数に対して±20kHz程度の範囲となる。
Generally, when amplitude modulation is performed, a frequency band around the carrier frequency, that is, a side band is generated together with the carrier frequency. Sidebands are also generated in the modulation operation of the superdirective speaker modulator of the present invention, and the generated modulation signal includes sideband frequency components.
The modulator described here amplitude-modulates the ultrasonic wave of the carrier wave with an audible audio signal. When such modulation processing is performed, sidebands are formed on both the upper and lower sides of the carrier frequency, that is, the carrier frequency. Occurs. In normal amplitude modulation, for example, if the carrier frequency is any one of 30 kHz to 50 kHz, the sideband is in a range of about ± 20 kHz with respect to the carrier frequency.
サイドバンドの信号レベルは、キャリア周波数の超音波を振幅変調している可聴音声信号のレベルに影響を与える。換言すると、キャリア周波数の成分とサイドバンドの成分の相互作用によって超音波が可聴音声へ自己復調することから、振幅変調した変調信号に基づいて超音波を放射器10から放射したとき、当該変調信号に含まれているサイドバンドの成分が復調した可聴音声の音圧レベルに影響する。
サイドバンドの信号レベルがキャリア周波数の信号レベルの半分、即ちキャリア周波数の信号レベルに対してサイドバンドの信号レベルが−6[dB]になると、変調率が100%となって最適な変調信号が得られる。変調する可聴音声信号のレベルが低くなると、サイドバンドの信号レベルは−6[dB]以下になって変調率が低下する。また、上記の可聴音声信号のレベルが高い場合には、サイドバンドの信号レベルが−6[dB]以上になり、変調率が100%を超える状態になる。このように変調率が100%を超えると、可聴音声に歪成分が多くなって好ましくない。
ただし、上記のように変調率が100%となるようにキャリア周波数成分とサイドバンド成分とを調整して変調信号を生成し放射器10へ供給しても、後述するような放射器10の周波数特性によって、放射された超音波が良好に聴こえる可聴音声に復調するとは限らない。
The signal level of the sideband affects the level of an audible audio signal that is amplitude-modulated by an ultrasonic wave having a carrier frequency. In other words, since the ultrasonic wave is self-demodulated into an audible sound by the interaction between the carrier frequency component and the sideband component, when the ultrasonic wave is radiated from the
When the sideband signal level is half of the carrier frequency signal level, that is, the sideband signal level is −6 [dB] relative to the carrier frequency signal level, the modulation rate becomes 100% and the optimum modulation signal is obtained. can get. When the level of the audible audio signal to be modulated is lowered, the sideband signal level is −6 [dB] or less, and the modulation rate is lowered. When the level of the audible audio signal is high, the sideband signal level is -6 [dB] or more, and the modulation rate exceeds 100%. Thus, if the modulation rate exceeds 100%, the distortion component increases in the audible sound, which is not preferable.
However, even if the carrier frequency component and the sideband component are adjusted so that the modulation factor becomes 100% as described above and a modulation signal is generated and supplied to the
図2は、実施の形態1による超指向性スピーカ用変調器の補正フィルタの伝送特性を示す説明図である。この図は、図1に示した補正フィルタ8の伝送特性、即ち入力信号に対する出力信号の相対レベルの周波数特性を示したもので、図示した縦軸は相対レベル[dB]、横軸は対数スケールを用いて示した周波数[Hz]である。
放射器10の周波数特性において共振峰が生じる周波数、即ち放射器10の共振周波数を例えばfpとして図2に示す。なお、図2に示した特性Gは放射器10から放射される超音波の実際の音圧レベルを表しているとは限らない。また、上記の共振周波数fpは、超音波帯域発振器6が発生する超音波帯域のキャリア周波数である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing transmission characteristics of the correction filter of the superdirective speaker modulator according to the first embodiment. This figure shows the transmission characteristic of the
The frequency at which the resonance peak occurs in the frequency characteristic of the
放射器10は、前述のように圧電セラミック素子を備えて超音波を発生している。圧電セラミック素子のような機械共振系の振動子は、固有の共振周波数において単一共振峰が生じる周波数特性を有する。そのため、多数の圧電セラミック素子によって構成されているパラメトリックスピーカの周波数特性から上記の共振峰を除くことは困難である。
放射器10は、超音波を発生するとき図2などに示した特性Gのように狭帯域のバンドパスフィルタのような周波数特性を有しており、共振周波数fpをキャリア周波数として用いた場合には、上記の共振周波数fpのレベルを0[dB]としたときサイドバンドのレベルが−6[dB]以下になる。そのため、変調率も100%以下となって自己復調した可聴音声の音圧レベルも小さくなる。
The
The
前述のような放射器10の周波数特性を補うため、補正フィルタ8は図2の特性Hのような伝送特性を備えている。補正フィルタ8の伝送特性は、共振周波数fpにおいて例えば入力信号と出力信号の相対レベルが0[dB]の信号を出力し、共振周波数fp即ちキャリア周波数の上下両側の周辺周波数帯域の信号レベルを当該キャリア周波数の信号レベルよりも大きく増幅するものである。即ち、キャリア周波数についてレベル補正を行わず、また、サイドバンドの信号レベルを上昇させて、ピーク値となっているキャリア周波数の信号レベルに対してサイドバンドの信号レベルを、好ましくは−6[dB]となるように補正して、例えば前述の変調率を100%へ近付けるように調整する。なお、振幅変調部20の生成した変調信号の変調率が100%に満たない場合等には、補正フィルタ8がキャリア周波数の信号レベルを増幅すると共に、上記のように増幅したキャリア周波数の信号レベルに対してサイドバンドの信号レベルが−6[dB]となるように増幅する。
In order to compensate for the frequency characteristic of the
図3は、実施の形態1による超指向性スピーカ用変調器の周波数特性を示す説明図である。この図は、縦軸が相対レベル[dB]、横軸が対数スケールを用いて示した周波数[Hz]である。図3に破線で示した特性Gは、図5に示した特性Gと同様なもので、補正フィルタ8を用いることなく振幅変調部20の生成した変調信号を増幅器9で増幅し、この信号を放射器10によって超音波に変換したときの周波数特性である。図3に破線で示した特性Dは、放射器10から放射された超音波が特性Gのような場合に、空気中で自己復調した可聴音声の周波数特性で、図4に示した特性Dと同様なものである。
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating frequency characteristics of the superdirective speaker modulator according to the first embodiment. In this figure, the vertical axis represents the relative level [dB], and the horizontal axis represents the frequency [Hz] indicated using a logarithmic scale. A characteristic G indicated by a broken line in FIG. 3 is the same as the characteristic G shown in FIG. 5, and the modulation signal generated by the
図2の特性Hのような伝送特性を有する補正フィルタ8を介した変調信号を、増幅器9によって増幅し放射器10を駆動して超音波を発生させると、そのとき発生する超音波帯域の周波数特性は図3に示した特性Kのようになる。特性Kは、図3に示した特性Gと比較するとピーク値は同等であるが、ピーク値が得られるキャリア周波数の上下両側の周辺周波数、即ちサイドバンドの信号レベルが高められている。このような超音波帯域の周波数特性が得られるとき、当該超音波から自己復調する可聴音声の周波数特性は、図3の特性Lのようになる。このように、サイドバンドの成分が大きくなると復調作用も強くなって可聴音声の音圧レベルも高くなる。また、特性Dと特性Lとを比較すると、特性Lのほうが可聴音声帯域の音圧レベルが総じて高くなり、高音域を損ねることなく低音域の音圧レベルが高くなっていることから、良好に聴こえる可聴音声を超指向性放射することができる。
When the modulation signal that has passed through the
ここでは、図2に示した特性Hのような伝送特性を有する補正フィルタ8を例示して説明したが、補正フィルタ8の伝送特性は上記のものに限定されず、放射器10の周波数特性に適合するように、また、可聴音声を所望の音質とするように当該伝送特性を設定して補正フィルタ8を構成してもよい。このように補正フィルタ8は、伝送特性を容易に設定することができるデジタルフィルタが適しており、放射器10の放射した超音波から自己復調する可聴音声帯域の周波数特性を精度良く補正することができる。また、補正フィルタ8の伝送特性を設定するときのパラメータとして、例えばキャリア周波数より低い周波数帯域のサイドバンドとキャリア周波数より高い周波数帯域のサイドバンドとを定めて、これらのサイドバンドを個別にレベル補正するように補正フィルタ8を構成してもよい。また、このように構成したとき、上記の低い周波数帯域のサイドバンドあるいは高い周波数帯域のサイドバンドのいずれか一方だけをレベル補正する、またさらに補正するレベルを調整する機能を有するように構成し、任意の伝送特性を有するように設定の変更/調整が可能なようにしてもよい。
Here, the
以上のように実施の形態1によれば、振幅変調部20が生成した変調信号を入力し、当該信号に含まれているキャリア周波数の信号レベルに対するサイドバンドの信号レベルを、放射器10が超音波を発生するときの周波数特性に応じて補正する補正フィルタ8を備えたので、放射器10の放射した超音波から自己復調する可聴音声帯域の周波数特性を変化させて当該可聴音声の音圧レベルを適切に高め、聴取者が良好に聴取できる可聴音声を超指向性放射することができるという効果がある。
As described above, according to
1 音源、2 係数器、3 直流源、4 加算器、5 平方根変換器、6 超音波帯域発振器、7 乗算器、8 補正フィルタ、9 増幅器、10 放射器、20 振幅変調部。
1 sound source, 2 coefficient unit, 3 DC source, 4 adder, 5 square root converter, 6 ultrasonic band oscillator, 7 multiplier, 8 correction filter, 9 amplifier, 10 radiator, 20 amplitude modulation unit.
Claims (4)
前記振幅変調手段から変調信号を入力し当該変調信号に含まれている超音波帯域のサイドバンドの信号レベルを補正して前記増幅手段へ出力する補正フィルタを備えたことを特徴とする超指向性スピーカ用変調器。 An audible sound signal is input from a sound source, and amplitude modulation means for generating a modulation signal by amplitude-modulating an ultrasonic carrier wave with the audible sound signal is provided. In the superdirective speaker modulator to be operated,
Superdirectivity comprising a correction filter that receives a modulation signal from the amplitude modulation means, corrects the signal level of the sideband of the ultrasonic band included in the modulation signal, and outputs the signal to the amplification means. Modulator for speakers.
The superdirectivity according to any one of claims 1 to 3, wherein transmission characteristics of an ultrasonic band included in the modulation signal are arbitrarily changed / adjusted in the correction filter. Modulator for speakers.
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