JP5176674B2 - 水中送波器とその駆動方法および複合水中送波器 - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、一対の円盤状リング間に円筒形状振動子を保持し、円盤状リングの円周囲および外面側を、複数の曲面状短冊振動板により構成された鼓状形状体の上端部と下端部とで覆うと共に、鼓状形状体の上端部と下端部とに円盤状端面振動板を結合した屈曲型水中送波器が開示されている。この屈曲型水中送波器では、短冊振動板の振動と円盤状振動板の振動の2つの振動を用いることによって、低周波化と広帯域化が図られている。
金属などの薄板は弾力性が低く共振周波数を低くできるために、薄板を振動板とした板状振動子は、構造が単純な小型軽量な振動子であり、従来から低周波用の送波器に用いられて来た。
特許文献1および特許文献2に記載されたものにおいても、振動板を用いて小型軽量で、かつ低周波化が図られている。しかしながら、特許文献1に記載されたものにおいては、小型化が図られたゆえに、音響放射面が小さく、放射面に対する音響負荷(機械的な付加抵抗)が小さく、周波数帯域特性が狭いという問題があった。また、特許文献2に記載されたものにおいては、低周波化をなすために曲面状短冊振動板の厚みを相当薄くする必要があり、水中送波器として利用するには、耐水圧の面で利用限界があった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、小型軽量で、低周波かつ広帯域な水中送波器を提供することにある。
本発明の水中送波器では、矩形板状の圧電素子を振動基板の一面に貼り付けた第1の板状屈曲振動子と、同じく矩形板状の圧電素子を振動基板の一面に貼り付け、かつ第1の板状屈曲振動子とは共振周波数の異なる第2の板状屈曲振動子と、を短辺同士にて結合することにより構成された複合屈曲型振動子の屈曲振動により音波を放出する。本発明の水中送波器では、第1の板状屈曲振動子と第2の板状屈曲振動子とで共振周波数が異なっていることにより、図16に示す音圧レベルの周波数特性のように、第1の板状屈曲振動子主体の共振周波数f1と、第2の板状屈曲振動子主体の共振周波数f2の2つのピーク特性を持った音圧レベル周波数特性が得られる。ただし、これらの2つのピーク特性のカップリングにおいては、多重モードフィルタ理論に基づいて、第1、第2の2つの板状屈曲振動子に対して、これらを駆動させる圧電素子には、それぞれ位相が逆相となるように駆動電界を印加することにより、図16に示すような音圧レベル周波数特性が得られる。仮に、第1、第2の2つの板状屈曲振動子に対して、これらを駆動させる圧電素子に対して同相に駆動電界を印加した場合には、2つのピーク特性は、互いに結合せずに打ち消しあう関係となり、図17に示すようにf1とf2の周波数の中間で、音圧レベルの落ち込みが見られる特性となってしまう。
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明による水中送波器の第1の実施の形態の外観を示す斜視図であるが、内部の構造を分かりやすくするために外周の絶縁シース9を一部切り欠いて示してある。図2は、図1のA−A線での断面図であり、図3は、図1のB−B線での断面図である。また、図4は複合形状屈曲型振動子の詳細を示す斜視図であり、図5、図6は、それぞれ上部蓋と下部蓋を示す斜視図である。
図4に示すように、複合屈曲型振動子1は、圧電振動子111が矩形板状の振動基板112に接着等ではめ込み固定された構造の第1の板状屈曲振動子11と、圧電振動子121が矩形板状の振動基板122に接着等ではめ込み固定された構造の第2の板状屈曲振動子12と、これら2つの板状屈曲振動子の短辺において2つの板状屈曲振動子11、12を結合するスペーサ13と、により構成されている。ここで、振動基板112、122は、短辺側に沿って圧電振動子111または圧電振動子121の厚さに等しい高さの基板突起部を有している。従って、第1の板状屈曲振動子11と第2の板状屈曲振動子12とは、それぞれ平板状の形状を有している。また、スペーサ13は、剛性のある硬い材料で形成され、板状屈曲振動子11および12に対しては、ネジ止めあるいは接着等で結合される。従って、複合屈曲型振動子1は、縦断面が扁平なロ字状の形状を有する。
このように構成された複合屈曲型振動子6個は、図2に示すように、緩衝材2aと2bを介して上部蓋3と下部蓋4間に挟持されている。そして、上部蓋3と下部蓋4間は、段付ボルト5とナット6a、6bにより締結されている。図示されているように、段付ボルト5の段差部が上部蓋3と下部蓋4の突起部に当接しているため、ナットの締め過ぎにより、板状屈曲振動子が破損されることはない。
図1および図2に示す信号線8は、図示を省略してあるが内部で各板状屈曲振動子の電極と接続されており、信号線に電気信号を加えることにより各板状屈曲振動子が駆動される。このとき、第1の板状屈曲振動子内の圧電素子111と、第2の板状屈曲振動子内の圧電素子121とでは、互いに位相が逆相となるように、信号線は結線されるのが好ましい。
以上のように構成された六角筒状の送波器は、図1に示すように、その側面全体がゴムブーツ等からなる絶縁シース9で覆われ、水密構造となっている。また、上部蓋3の信号線取出し孔7は、信号線8を通すゴムキャップにより塞がれる。
次に、図1〜図6を参照して本実施の形態の製造方法について説明する。始めに、図4に示される6個の複合屈曲型振動子1の上端部と下端部に図2に示すように断面がL字状の緩衝材2a、と2bを貼り付ける。次に、緩衝材を貼り付けた6個の複合屈曲型振動子を、図5に示す上部蓋および図6に示す下部蓋の外形よりも僅かに大きな六角筒状に配列し、板状屈曲振動子のそれぞれの電極と信号線8を半田付けにより電気的に接続する。
このように信号線と電気的に接続され六角筒状に配列された6個の複合屈曲型振動子の中心部に、予め段付ボルト5とナット6a、6bとによって緩く仮止めされた上部蓋3と下部蓋4の組み立て体を配置し、信号線8を上部蓋3の信号線取出し孔7から引き出した後、6個の複合屈曲型振動子を上部蓋3と下部蓋4との組み立て体に下部蓋4の側から順次差し込んで行く。
その後、6個の複合屈曲型振動子の位置調整を行なって上部蓋3と下部蓋4の間に適切に整列配置されるようにし、ナット6a、6bを段付ボルト5に締めこんで行く。このように組み立てられた水中送波器の側面をゴムブーツ等からなる絶縁シース9で覆い、水密構造とする。
図7は、本発明の第2の実施の形態を示す断面図である。図7において、図2に示される第1の実施の形態の部材と同等の機能を有する部材には同一の参照符号が付せられている。本実施の形態においては、第1の実施の形態において、第1の板状屈曲振動子と第2の板状屈曲振動子とを結合するために用いられていたスペーサが削除されている。代わって、振動基板122の短辺側両端部に形成されていた基板突起部122aの高さ寸法が、圧電素子121の厚さ寸法より大きくなされている。そのため、第2の板状屈曲振動子12の表面からは、基板突起部122aが圧電素子121の表面より高く突出している。本実施の形態においては、この圧電素子121の表面より高く突出している基板突起部122aの突出部を利用して第1の板状屈曲振動子と第2の板状屈曲振動子とを結合している。すなわち、振動基板122の基板突起部122aの表面に振動基板112の短辺端部を接着あるいはビス止め等の手段を用いて結合する。本実施の形態によれば、部品点数を削減することができる外、組み立て工程を簡素化することができる。
図8は、本発明の第3の実施の形態を示す断面図である。図8において、図2に示される第1の実施の形態の部材と同等の機能を有する部材には同一の参照符号が付せられている。本実施の形態における第1の板状屈曲振動子11と第2の板状屈曲振動子12の構造は、第1の実施の形態のそれと同じである。しかし、第1の実施の形態においては、複合屈曲型振動子は、圧電素子121が振動基板112に対面するように構成されていたが、本実施の形態においては、圧電素子111が振動基板122に対面するように構成されている。そして、第1の実施の形態においては、送波器は、圧電素子111、121が外側に向くように構成されていたが、本実施の形態においては、振動基板112、122が外側に向くように構成されている。
図9、図10は、本発明の第4の実施の形態を示す複合屈曲型振動子の斜視図および水中送波器の断面図である。図9において、図4に示される第1の実施の形態を示す複合振動子の構造に対して、第1の板状屈曲振動子および第2の板状屈曲振動子のそれぞれの振動基板112、122の底部に短辺方向に沿ってスリット14が設けられている。このスリット14は、第1および第2の板状屈曲振動子の圧電素子111、121の長さ方向寸法より外側に設けられている。このようにスリット14を配することで、第1および第2の板状屈曲振動子の変位量の増大を図ることができ、送波音圧レベルを向上させることができる。また、圧電素子111、121の長さ方向寸法より外側に切り込まれていることにより、圧電素子への応力集中も緩和され、セラミック等でできている圧電素子の耐久性も向上する。本実施の形態の水中送波器は、図9に示すスリット入りの第1の板状屈曲振動子および第2の板状屈曲振動子で構成された複合屈曲型振動子を6個、六角筒状に配置して構成したものである。本実施の形態によれば、第1の実施の形態よりも、送波音圧レベルを高くすることができる。
図11、図12は、本発明の第5の実施の形態を示す複合屈曲型振動子の斜視図および水中送波器の断面図である。図11において、図4に示される第1の実施の形態を示す複合振動子の構造に対して、第1の板状屈曲振動子および第2の板状屈曲振動子のそれぞれ圧電素子111、121の代わりに、角柱状の圧電素子(素圧電素子)を積層したスタック圧電素子1111および1211を用いる。これらのスタック圧電素子は、その個々の素子の分極方向が複合屈曲型振動子1の長手方向に互い違いとなるように(図11中の矢印で示す方向)なされ、各スタック層の界面において電極層が設けられ、各電極層に対して互い違いに交流電界の端子を並列接続するように結線している。このような結線の2つの端子間に交流電界が印加されると、各スタック圧電素子において各素圧電素子間は、分極方向と同方向の電界印加となり、素圧電素子は圧電縦効果による伸び縮みが行われる。圧電素子の圧電縦効果の電気機械結合係数は約60%程度であり、第1の実施の形態で示した圧電素子のような圧電横効果(電界印加方向と分極方向が垂直に交差)の電気機械結合係数の約30%に比べて2倍ほど大きい。したがって、圧電素子の駆動力は大きくなり、さらには振動変位が大きくなり、その結果として、複合屈曲型振動子1の屈曲変位量の増大に繋がり、送波音圧レベルが向上することになる。なお、図11において、スタック圧電素子1111、1211の各素圧電素子間、および、スタック圧電素子1111、1211と振動基板112、122の境界面には、電極層間で電気的に短絡しないように絶縁シート15が配置されている。本実施の形態の水中送波器は、図11に示す圧電縦効果を利用したスタック圧電素子型の第1の板状屈曲振動子および第2の板状屈曲振動子で構成された複合屈曲型振動を6個、六角筒状に配置して構成したものである。本実施の形態によれば、第1の実施の形態よりも、送波音圧レベルを高くすることが可能である。
図13、図14は、本発明の第6の実施の形態を示す複合屈曲型振動子の斜視図および水中送波器の断面図である。図13に示すように、図4に示される第1の実施の形態を示す複合振動子の第1の板状屈曲振動子および第2の板状屈曲振動子のそれぞれ振動基板112、122の対して、圧電素子111、121が貼り付けられた面とは反対側の面に凹状の窪みを設け、その窪み内に圧電素子111’、121’を貼り付けて、第1の板状屈曲振動子11および第2の板状屈曲振動子12をバイモルフ構造(振動基板を2枚の圧電素子で挟み込んだ形態)としたものである。このとき、圧電素子111、111’および121、121’の分極方向は、図13中の矢印で示すように同方向を向くように形成し、振動基板112、122側に接している側の電極面を第1の電極端子とし、その反対側の電極面を第2の電極端子とした2端子の電極端子として結線を施している。このように結線された板状屈曲振動子において、圧電素子に電界を印加すると、振動基板を境とした対向する圧電素子で伸縮が反転した振動を成し、その結果として、板状屈曲振動子の変位量を増大することができる。本実施の形態の水中送波器は、図13に示すバイモルフ構造の第1の板状屈曲振動子および第2の板状屈曲振動子で構成された複合屈曲型振動子を6個、六角筒状に配置して構成したものである。本実施の形態によれば、第1の実施の形態よりも、送波音圧レベルを高くすることが可能である。
なお、第4から第6の実施の形態を組み合わせて用いて、より送波音圧レベルを高くすることも可能である。すなわち、第5、第6の実施の形態の振動基板にスリットをいれることもでき、また、第6の実施の形態の圧電素子をスタック圧電素子によって構成することもできる。
次に、本発明の第7の実施の形態として本発明に係る水中送波器を配列した例を説明する。図15は、本発明の第7の実施の形態を示す斜視図である。本実施の形態においては、上部蓋、下部蓋にはワイヤを固定するための、円筒形の突起部であるワイヤ固定部3c、4cが形成されている。そして、上部蓋、下部蓋にはワイヤを通すための貫通孔が開けられており、ワイヤ10は上部蓋、下部蓋の貫通孔を通って水中送波器の内部を貫通している。この貫通孔には信号線も通される。貫通したワイヤは、ワイヤ固定部3c、4cにおいて、ピン止めやビス止めあるいはかしめを行うことにより、個々の水中送波器に対して固定される。このとき個々の水中送波器は、駆動中心周波数の波長の1/2あるいは1/4の間隔で並べられる。このようにして効率よく音圧レベル特性の向上を図ることができる。また、ワイヤは、信号線8とともに水密シールを施したチューブで覆われる。
本実施の形態の複合水中送波器によると、複数個の水中送波器を同時駆動することにより、あるいは間引き駆動することにより、トータルの音圧レベルの増大や、見かけ上の音響放射面の増大を図ることができる。この直線的に配列された水中送波器は、洋上の船舶から数百〜数キロメートルにわたって、吊下しながら利用するソナーとしても適用可能である。
以上説明した実施の形態では、6個の複合屈曲型振動子を用いた六角筒状の水中送波器を説明したが、本発明においては、複合屈曲型振動子の数を6個に限定する必要はなく、水中送波器は、3個以上のn個の複合屈曲型振動子を用いたn角筒状の形状のものであってもよい。
本発明の水中送波器では、第1の共振ピークf1と第2の共振ピークf2を持つ特性となるが、これら2つの共振周波数を励振させるにあたり、第1、第2の板状屈曲振動子の共振周波数を変える方法として、板状屈曲振動子の厚み寸法を変えることが効率的であるが、これ以外にも、材料の変更による密度(比重)の差により共振周波数に差をつけることも可能である。
また、上述の実施の形態では、絶縁シース9はゴムブーツにより構成されていたが、モールド法によって形成してもよく、また熱収縮チューブを用いて被覆することも可能である。
また、第7の実施の形態では、ワイヤ固定部は、上部蓋、下部蓋と一体的に形成されたものとして説明したが、上部蓋、下部蓋とは別体の部材として形成し、上部蓋、下部蓋に溶接や接着あるいはボルト止め等の方法により、上部蓋、下部蓋に固定するようにしてもよい。
図1、図2に示す第1の実施の形態の水中送波器において、圧電素子111、121はハード系のジルコンチタン酸鉛系圧電セラミックスからなる。その寸法は、圧電素子111が幅30mm、長さ110mm、厚み5mm、圧電素子121が幅30mm、長さ110mm、厚み15mmである。これらの圧電素子を、それぞれアルミ合金からなる振動基板112、122に接着した。振動基板112、122の寸法は、それぞれ、幅30mm、長さ170mm、厚み10mm(うちセラミック厚5mm)、幅30mm、長さ170mm、厚み20mm(うちセラミック厚15mm)である。これらの第1、第2の板状屈曲振動子11、12を、やはりアルミ合金からなるスペーサ13に対して、ねじ止めと接着により強固に結合した。スペーサの寸法は、幅30mm、長さ30mm、厚み10mmである。このような寸法で構成された複合屈曲型振動子1を6個用いて、六角筒状に並べ、本発明水中送波器を構成した。ここで、上部蓋、下部蓋の突起部を含む厚みは19mm、緩衝材の厚さは5mmで構成した。このような構成で、第1、第2の板状屈曲振動子への結線は、駆動する交流電界の位相が逆相となるように結線し駆動したところ、図16に示すようにf1とf2の2つの共振ピーク特性をもった音圧レベル周波数特性が得られ、広帯域化が実現できた。
2a、2b 緩衝材
3 上部蓋
3a 上部蓋突起部
3b ボルト孔
3c ワイヤ固定部
4 下部蓋
4a 下部蓋突起部
4b ボルト孔
4c ワイヤ固定部
5 段付ボルト
6a、6b ナット
7 信号線取出し孔
8 信号線
9 絶縁シース
10 ワイヤ
11 第1の板状屈曲振動子
12 第2の板状屈曲振動子
111、121、111’、121’ 圧電素子
112、122 振動基板
1111、1211 スタック圧電素子
13 スペーサ
14 スリット
15 絶縁シート
Claims (19)
- 矩形板状の第1の振動基板の一主面に矩形板状の第1の圧電素子が貼り付けられた第1の板状屈曲振動子と、矩形板状の第2の振動基板の一主面に矩形板状の第2の圧電素子が貼り付けられた、前記第1の板状屈曲振動子とは共振周波数が異なる第2の板状屈曲振動子と、が互いの振動が妨げられない態様にて短辺同士で結合されてなるn(nは3以上の整数)個の複合屈曲型振動子と、上部蓋と、下部蓋と、前記上部蓋と前記下部蓋とを結合する固着手段と、を備え、前記n個の複合屈曲型振動子がn角筒を形成するようにかつ各複合屈曲型振動子の長辺が前記n角筒の軸方向となるように配置され、前記上部蓋と前記下部蓋との間に挟持されており、水中送波器であって、前記上部蓋と前記下部蓋とは、主体となるn角形板と、該n角形板から下方ないし上方へ突起したn角形の蓋突起部とを有し、前記複合屈曲型振動子は前記蓋突起部の側面に接するようにして前記上部蓋と前記下部蓋とのn角形板間に挟持されていることを特徴とする水中送波器。
- 前記上部蓋と各複合屈曲型振動子との間、および、前記下部蓋と各複合屈曲型振動子との間には緩衝部材が設置されていることを特徴とする請求項1に記載の水中送波器。
- 前記第1の振動基板と前記第2の振動基板とは、短辺に沿って基板突起部を有する凹字状の形状を有し、前記基板突起部間に前記第1または第2の圧電素子が貼り付けられて、前記第1および第2の板状屈曲振動子は、平板状の形状をなしていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記第1の板状屈曲振動子と前記第2の板状屈曲振動子とは、その短辺に沿って配置されたスペーサを介して固着されていることを特徴とする請求項3に記載の水中送波器。
- 前記第1の振動基板と前記第2の振動基板とは、短辺に沿って基板突起部を有する凹字状の形状を有し、前記基板突起部間に前記第1または第2の圧電素子が貼り付けられて、前記第1の板状屈曲振動子と前記第2の板状屈曲振動子との内のいずれか一方は平板状の形状を、いずれか他方は前記基板突起部の高さが貼り付けられる圧電素子の高さ(厚さ)より高いことにより凹字状の形状をなしており、凹字状の形状をなしている方の板状屈曲振動子の前記基板突起部が平板状の形状をなしている方の板状屈曲振動子に当接して前記複合屈曲型振動子が形成されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記第1の振動基板と前記第2の振動基板の第1または第2の圧電素子が貼り付けられた面と反対側の面の、貼り付けられた圧電素子の長手方向のサイズの外側の位置に、スリットが形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記第1の振動基板および前記第2の第1または第2の圧電素子が貼り付けられた面と反対側の面には凹字状の窪みが形成されており、各窪みにはそれぞれ第3または第4の圧電素子が貼り付けられて板状屈曲振動子がバイモルフ構造になされていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記第1の圧電素子および第2の圧電素子を、または、前記第1の圧電素子、第2の圧電素子、第3の圧電素子および第4の圧電素子を、複合屈曲型振動子の長手方向を分極方向とする角柱状の偶数個の素圧電素子を絶縁シートを介して複合屈曲型振動子の長手方向に分極方向が互い違いになるように積層した積層体によって構成し、前記積層体と振動基板との間には絶縁シートを配し、各素圧電素子の複合屈曲型振動子の長手方向と直交する面には電極層を設け、電極層間に電界を印加することにより、前記第1の板状屈曲振動子および前記第2の板状屈曲振動子を振動させることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記固着手段がボルトとナットであることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記固着手段が段付きボルトとナットであって、前記段付きボルトの段差部が、前記上部蓋と前記下部蓋の前記蓋突起部の表面に当接していることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の水中送波器。
- 側面の全体が絶縁シースにより水密に被覆されていることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の水中送波器。
- 前記上部蓋に形成された開口を通して、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とに駆動電圧を供給するための信号線が引き込まれていることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の水中送波器。
- 矩形板状の第1の振動基板の一主面に矩形板状の第1の圧電素子が貼り付けられた第1の板状屈曲振動子と、矩形板状の第2の振動基板の一主面に矩形板状の第2の圧電素子が貼り付けられた、前記第1の板状屈曲振動子とは共振周波数が異なる第2の板状屈曲振動子と、が互いの振動が妨げられない態様にて短辺同士で結合されてなるn(nは3以上の整数)個の複合屈曲型振動子と、上部蓋と、下部蓋と、前記上部蓋と前記下部蓋とを結合する固着手段と、を備え、前記n個の複合屈曲型振動子がn角筒を形成するようにかつ各複合屈曲型振動子の長辺が前記n角筒の軸方向となるように配置され、前記上部蓋と前記下部蓋との間に挟持されており、前記上部蓋と前記下部蓋とは、主体となるn角形板と、該n角形板から下方ないし上方へ突起したn角形の蓋突起部とを有し、前記複合屈曲型振動子は前記蓋突起部の側面に接するようにして前記上部蓋と前記下部蓋とのn角形板間に挟持されている水中送波器の駆動方法であって、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とには、互いに逆相の電圧を印加することを特徴とする水中送波器の駆動方法。
- 矩形板状の第1の振動基板の一主面に矩形板状の第1の圧電素子が貼り付けられた第1の板状屈曲振動子と、矩形板状の第2の振動基板の一主面に矩形板状の第2の圧電素子が貼り付けられた、前記第1の板状屈曲振動子とは共振周波数が異なる第2の板状屈曲振動子と、が互いの振動が妨げられない態様にて短辺同士で結合されてなるn(nは3以上の整数)個の複合屈曲型振動子と、上部蓋と、下部蓋と、前記上部蓋と前記下部蓋とを結合する固着手段と、を備え、前記n個の複合屈曲型振動子がn角筒を形成するようにかつ各複合屈曲型振動子の長辺が前記n角筒の軸方向となるように配置され、前記上部蓋と前記下部蓋との間に挟持されている水中送波器の駆動方法であって、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とには、ある周波数以下の周波数では互いに逆相の電圧を印加しその周波数以上の周波数では逆相以外の電圧を印加することを特徴とする水中送波器の駆動方法。
- 前記逆相以外の電圧が同相の電圧であることを特徴とする請求項14に記載の水中送波器の駆動方法。
- 請求項1から12のいずれかに記載された水中送波器がワイヤを介して直列的に複数個接続されていることを特徴とする複合水中送波器。
- 前記上部蓋と前記下部蓋には前記ワイヤを通す貫通孔が開設されており、前記ワイヤは前記水中送波器を貫通していることを特徴とする請求項16に記載の複合水中送波器。
- 前記水中送波器の間隔は、前記水中送波器の駆動信号の波長をλとしてλ/2またはλ/4であることを特徴とする請求項16または17に記載の複合水中送波器。
- 前記ワイヤは、水密なチューブにより覆われていることを特徴とする請求項16から18のいずれかに記載の複合水中送波器。
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