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Enceintes & Haut-Parleurs

extrait du site de Dominique Petoin avec nos remerciements -
voir aussi sous http://petoindominique.fr/ les pages réactualisées

 

AP3.1 Généralités : Rôles et contraintes d'un HP

La fonction principale d'un haut-parleur est bien entendu de restituer, de manière parfaitement fidèle, un message sonore composé de grandes variations de niveaux pour une plage relativement importante de fréquences.

Sous cette demande qui paraît simple, se cache des contraintes mécaniques, électriques et acoustiques qui sont souvent contradictoires et donc très difficilement compatibles. Nous demandons à un HP des performances extraordinaires. Il s'agirait de posséder toutes ces qualités de rendement, de linéarité et de directivité qui soient non seulement bonnes, mais constantes sur toute la gamme des fréquences audibles (10 octaves).

Plage de fréquences :                  de 20Hz à 20kHz :

                                                         Umax
Plage de niveaux acoustiques :   ------------ = 100 000 environ  
                                                         Umin

Un seul haut-parleur permettant de réaliser une telle demande n'existe tout  simplement pas. Les fabricants d'haut-parleurs font preuve d'une grande imagination afin d'obtenir un compromis qui donne un résultat d'écoute le meilleur possible.

Enfin, il est demandé au haut-parleur la restitution de la " qualité " sonore de l'enregistrement et parfois du local d'enregistrement (concert dans une église, par exemple), donc de l'emplacement "réel" des diverses sources sonores. Ce critère de qualité est subjectif et varie d'une personne à l'autre. Des qualificatifs comme chaud, sec, etc. sont utilisés pour caractériser la restitution d'un HP ou d'un groupe de HP. En fait, un haut-parleur est un transducteur d'énergie. Il transforme une énergie électrique en une énergie acoustique. D'un signal électrique, un système de transduction engendre un déplacement mécanique d'une membrane qui à son tour va entraîner la vibration de l'air correspondante à l'onde sonore originale.

Les principes physiques utilisés pour la construction des microphones sont réversibles. La transduction piézoélectrique, électrodynamique ou encore électrostatique est possible pour réaliser des HP. Toutefois, le principe à bobine mobile est de loin le plus répandu. La comparaison avec les microphones s'arrête là car si l'on songe aux énergies en jeu, les microphones délivrent des puissances de l'ordre du nanowatt alors que les HP reçoivent des puissances allant jusqu'à quelques centaines de watts.

Les particularités de la propagation des sons (par exemple sa relative " lenteur ", la célérité cair = 330m/s) influence directement l'emplacement des HP dans leur boîtier et dans le local d'écoute. Le volume du local d'écoute ainsi que les obstacles rencontrés par les ondes sonores jusqu'aux oreilles de l'auditeur entraînent des interférences qui créent des modifications du signal original propre à chaque local d'écoute (échos, réverbérations, distorsions de fréquences, etc.). Voir la page du site Propagation des ondes.

Ce que le grand public à pour habitude d'appeler la " haute fidélité " consiste à rendre le plus fidèlement possible un son. Ce qui va de la salle de concert jusqu'à la chambre de l'auditeur. Cela exige des HP un "remplissage" de l'espace sonore du local d'écoute et très vite la technique stéréophonique à été utilisée afin d'améliorer le problème posé par le fait que l'HP est une source sonore ponctuelle.

AP3.2  Spécifications électriques d'un HP

A l'entrée il y a le signal électrique (analogique) fourni par un amplificateur capable de débiter des puissances importantes. Pour un système à bobine mobile, l'haut-parleur peut être considérer comme une inductance pure en série avec une résistance ohmique représentée par la valeur ohmique du fil composant la bobine.

AP3.2.1 Impédance

De par son schéma électrique, Un haut-parleur va présenter une impédance Z à l'amplificateur qui l'alimente. De part les lois électrotechnique nous remarquons que l'impédance d'un HP varie en fonction de la fréquence. Les fabricants nous donnent la valeur de l'impédance pour une fréquence de 1 kHz, qui est appelée impédance nominale.

En continu (f = 0Hz), il ne reste que la résistance ohmique RDC du fil de la bobine mobile. Nous pouvons accepter un lien entre l'impédance nominale et la valeur ohmique de l'ordre de Z nom. = 1,25 RDC (RDC = 0,8 Znom.)

La pointe aux fréquences basses est due à la résonance mécanique de l'équipage mobile du HP. Plus la fréquence augmente, plus l'impédance augmente ( XL est proportionnelle à f) et le circuit devient inductif (déphasage).

AP3.2.2 Puissance

La puissance nominale d'un HP est en fait la puissance maximale qu'il peut supporter sans destruction. La puissance sinus (ou RMS) est déterminée par un signal sinus appliqué pendant une longue durée. La puissance musicale (ou crête) nous indique les puissance très brèves que peu supporter un HP.    A noter toutefois que la destruction d'un HP n'est pas uniquement due à une trop grande puissance (PRMS) appliquée. Mais elle est très souvent due aux distorsions du signal appliqué à l'HP. Ces distorsion entraînent une puissance de crête (Pcrête) aux hautes fréquences qui n'étaient pas présentent dans le signal original.

AP3.2.3  Sensibilité

La sensibilité détermine la pression acoustique à 1m de l'HP dans l'axe pour un signal appliqué de 1W (1kHz). C'est une indication de rendement. La sensibilité est donnée généralement en dB (1m/1W).

AP3.2.4 Courbe de réponse

La courbe de réponse détermine la plage de fréquences restituées par le HP avec une amplitude acoustique plus ou moins constante.

AP3.3  Spécifications mécaniques d'un HP

Nous pouvons séparer le fonctionnement du HP par une première partie transducteur électromécanique, une deuxième partie entraînement " mécanico-acoustique " et une troisième partie par un ensemble d'éléments fixes annexes qui assurent la cohésion de l'ensemble.Transducteur électromécanique : La bobine mobile se déplace dans l'entrefer d'un circuit magnétique amené par un puissant aimant per-manent. La force méca-nique engendrée par la bobine qui coupe les lignes de forces magné-tiques est directement proportionnelle au signal électrique.

L'entraînement " mécanico-acoustique " est produit par la membrane, solidaire de la bobine, qui met en mouvement le volume d'air environnant. La forme, la grandeur, etc. sont d'une grande importance quant au résultat final de l'HP. Le volume d'air à l'avant et à l'arrière est également important.

Le parties fixes, comme le support (ou saladier) doit être le plus rigide possible mais sans freiner les déplacements d'air. Les matériaux utilisés vont déterminer une des caractéristiques de l'ensemble notamment par la fréquence de résonnance mécanique propre.

FREQUENCES BASSES (HP WOOFER)      
Grands déplacements - Gros diamètre du fil de la bobine (P élevée) surface de rayonnement de grande dimension - Grande membrane mais très rigide

                                                    

 FREQUENCES AIGUËS (HP TWEETER)

Petits déplacements très rapides

 Petit diamètre pour garder un rayonnement omnidirectionnel

 La dynamique (S/B) du signal acoustique est telle que les fréquences basses (woofer) ont des amplitudes beaucoup plus grandes que les fréquences médium (méd) et aiguës (tweeter). Cela demande des performances souvent contradictoires. Pour palier à ce genre d'inconvénients, les constructeurs réalisent des HP spécifiques à une plage restreinte en fréquences.

De part les lois de la mécanique, un déplacement engendre inévitablement une inertie de mouvement. Une résonance mécanique propre à chaque HP existe et donne naissance à un déplacement erroné de la membrane aux fréquences proches de cette résonance (fréquences basses). Il importe que cette résonance soit le moins audible possible.

AP3.4  Spécifications acoustiques d'un HP

En plus des spécifications propre à l'haut-parleur, son environnement immédiat est extrêmement important et détermine le rendement et les qualités de l'ensemble. Une des première difficulté est le COURT-CIRCUIT ACOUSTIQUE.

A une surpression de l'air à l'avant de la membrane correspond une dépression de l'air à l'arrière de la membrane et réciproquement.

 Pour y remédier, il faut rallonger le parcours de l'onde sonore avec un écran plat par exemple. L'écran doit avoir une longueur égale au moins à la demi longueur d'onde (voir la page propagation des ondes dans l'introduction à l'acoustique de ce site).

AP3.5  Les enceintes acoustiques

La technique la plus souvent utilisée pour palier au court-circuit acoustique est de définir le volume d'air placé à l'arrière de l'HP en créant ainsi des enceintes acoustiques. En plus, ce système permet d'inclure différents haut-parleurs dans un même boîtier avec les filtres nécessaires et parfois un circuit électronique (amplificateur, protection, etc.).

Ci dessous à gauche, le principe d'un système d'ENCEINTE CLOSE. Le court-circuit acoustique est éliminé complètement mais un grand volume d'air reste nécessaire pour éviter que l'élasticité de l'air freine les déplacements de la membrane.

Au centre, le principe d'un système d'ENCEINTE BASS-REFLEX. Le court-circuit acoustique est utilisé à l'aide d'une ouverture à l'avant du boîtier. L'air sortant par l'ouverture, en phase avec l'air poussé par la membrane a pour effet d'augmenter la sensibilité du système. Le système d'ENCEINTE A EVENT est quelque peu similaire, avec une ouverture plus petite et un "circuit d'air" à l'intérieur de la membrane.

A droite du dessin ci-dessus, le principe d'un système d'ENCEINTE A MEMBRANE PASSIVE. L'élasticité de l'air entraîne un déplacement passif de la membrane souple (généralement située à l'arrière), ce qui permet de réduire le volume du boîtier.    
L'air intérieur est amorti par le déplacement passif de la membrane arrière.

AP3.6  Les systèmes divers

Une autre manière est de définir le volume avant et le volume arrière de l'HP. Ceci va fortement améliorer le rendement de l'ensemble et diminuer les dimensions. Cette amélioration est due au fait que l'équipement mobile de l'HP est étudié pour la masse d'air qu'il doit déplacer.

C'est le cas de l'HP A PAVILLON, qui est caractérisé par une grande portance mais une plage de fréquences restreinte. Ce système est utilisé pour des sonorisations extérieures lors de manifestations, par exemple.

 Ou encore le cas du système qui utilise un boitier-caisson, essentiell-ement pour les fréquences basses, qui contient des HP spécifiques. La sortie sonore est effectuée par une ouverture. Ci-contre, l'exemple du système appelé acoustimass par la maison Bose.

 Dans tous les cas, l'emplacement de l'enceinte (ou du HP) dans le local d'écoute va lui aussi être déterminant pour la qualité acoustique de l'ensemble de la chaîne audio, avec en plus des problèmes d'ordre de directivité, de déphasage, de câblage, etc.

 

 

 

AP3.7  Les filtres séparateurs

Nous avons vu que l'utilisation de plusieurs haut-parleurs chacun prévus et construits pour une certaine plage de fréquence améliorait les performances de l'ensemble. Toutefois cela implique l'utilisation de filtres séparateurs qui va permettre d'appliquer sur chaque HP la plage de fréquences qui lui correspond.

Ces filtres sont généralement constitué d'inductances et de condensateurs. Un des points délicat d'une telle combinaison est la reproduction des sons aux fréquences voisines de la fréquence de séparation. Pour obtenir un résultat acceptable, il faut obtenir une atténuation de -3 dB à la fréquence de séparation pour chaque HP.

D'autre part, les flancs supérieurs et respectivement inférieurs de chaque filtre devrait avoir une pente la plus élevée possible. Enfin, la qualité d'exécution des éléments utilisés pour de tel filtres devient très importante, notamment pour connaître les variations de phases en fonction de la fréquence amenées par le filtre.

Ci-dessous, trois exemples de réalisations de filtres LC :

Enceinte 2 voies (2 HP) ; 6 dB / octave ; fréquence de séparation = 1kHz

 

 

 

 

 

 

Enceinte 2 voies (2 HP) ; 12 dB / octave ;fréquence de séparation = 1kHz

 

Enceinte 3 voies (3 HP) ; 12 dB / octave ; fréquences de séparations = 800 Hz et 5kHz

 

 

 

 

 

 

Mise en parallèle ou en série de haut-parleurs

La mesure du niveau sonore des enceintes acoustique peut être donnée en dB/1W/1m. La charge que représente une enceinte est complexe (module et phase), c’est donc autre chose qu’une pure résistance théorique de 8 ohm. Le 1W apparaissant dans la précédente formule doit donc être entendu comme 1 Watt équivalent sur une charge de 8 ohm. L’enceinte dans la réalité absorbe une puissance active (facile a mesurer) et réactive (non mesurable, cf. cos(j) d’une installation électrique EDF) du fait du caractère complexe de la charge qu’elle représente.

Ce 1 watt équivalent correspond au 1 Watt réel dissipe lorsqu’on applique une tension sinusoïdale de 2,83 V efficace aux bornes d’une résistance de 8 Ohm. Il est ainsi plus clair de parler, pour faire des comparaisons entre produits, du niveau sonore de l’enceinte en terme de dB/2,83V(efficace)/1 m.

Une enceinte donnée pour 90dB/2,83V/1m, délivrera un niveau sonore de 93dB/1m pour 4volt (=1,414x2,83V) appliques a ces bornes, 96dB/1m pour 5,66 Volts (=2x2,83V), etc.

Ce calcul théorique est a tempérer car si un haut-parleur (ou enceinte) va globalement transformer la puissance électrique que lui donne l’amplificateur en une puissance acoustique, la loi qui lie la puissance acoustique avec la puissance électrique n’est pas en toute rigueur linéaire : plus la puissance fournie au HP est importante plus celui-ci s’éloigne du régime des petits signaux (voir chapitre sur les non linéarité) et donc plus les pertes sont importantes.

Pour de fortes sollicitations de durée importante (sonorisation), il y a même un effondrement du rendement des HP (exemple : distorsion thermique, voir doc. JBL). On admettra cependant pour la suite que, pour une usage domestique et des niveaux de reproduction sonore raisonnables ce qui semble être le cas chez dada, que je salue au passage, l’approximation linéaire de la loi dB/Watt est vérifie.

Globalement si on augmente d’un facteur 2 la puissance électrique, ou corollaire d’un facteur 1,414 la tension délivrée par un amplificateur sur une enceinte, le niveau sonore augmente de +3dB (10LOG(2) pour la puissance ou 20LOG(1,414) pour la tension.

 Première expérience :

Prenons un haut-parleur de grave (8 Ohm) qui donne un niveau de 100dB a 1 m (pour faire plaisir a Bruno et LSB, que je salue au passage) quand une tension de 2,83V est appliquée a ces bornes.
Cette tension de 2,83V correspond a une position du potentiomètre de volume de l’amplificateur qui est charge par le haut-parleur, que l’on règle soigneusement.

Deuxième expérience :

Sans toucher a la position du potentiomètre de volume de l’amplificateur, on raccorde en parallèle un deuxième haut-parleur identique au premier. Les deux haut-parleurs ont donc a leurs bornes une tension de 2,83V, ce qui correspond a un niveau acoustique de 103dB a 1m (somme de deux sources de 100 dB).

L’amplificateur voit cependant une charge 2 fois inférieure (4 ohm) a celle du seul haut-parleur (8 ohm), la tension délivrée étant de 2,83 V, il délivre donc deux fois plus de puissance électrique que précédemment (2,83V sur 4 Ohm correspondent a 2 Watt).

Pour comparer cette deuxième expérience a la première, il faut donc diminuer la tension délivrée par l’amplificateur en tournant le bouton de volume. L’équilibre est réalise quand la tension de sortie vaut 2V efficace (=2,83/1,414). Le volume sonore donne par chacun des 2 haut-parleurs devient 97dB, le niveau des deux HP correspond a 100 dB a 1 m.

 Troisième expérience :

Sans toucher a la position initiale du potentiomètre de volume de l’amplificateur (réglé pour que l’amplificateur délivre 2,83V), on raccorde en série un deuxième haut-parleur identique au premier. Chacun des deux haut-parleurs possède a ces bornes une tension de 1,414 V (=2,83/2), ce qui correspond pour chaque haut-parleur a un niveau de 94dB a 1m, la somme des deux sources donne 97dB a 1 m.

L’amplificateur voit cependant une charge 2 fois supérieure a celle du seul haut-parleur, la tension délivrée étant de 2,83 V, il délivre donc deux fois moins de puissance électrique que précédemment (2,83V sur 16 Ohm correspondent a 1/2 Watt).

Pour comparer cette troisième expérience a la première, il faut donc augmenter la tension délivrée par l’amplificateur en tournant le bouton de volume. L’équilibre est réalisé quand la tension de sortie vaut 4V (=2,83x1,414). Le volume sonore donne par chacun des 2 haut-parleurs devient 97 dB, le niveau des deux HP correspond a 100 dB a 1 m.

Les résultats précédemment examines peuvent s’écrire de la façon suivante : En mettant deux HP en parallèle :

·       +0dB/1W/1m

·       +3dB/2,83V/1 m

En mettant deux HP en série :

·       +0dB/1W/1m

·       -3dB/2,83V/1 m

 COUPLAGE :

 Cet aspect électrique n’est pas le seul phénomène qui rentre en jeu : quand deux haut-parleurs sont montes proches sur un écran infini, il apparaît un phénomène de couplage.

On considère donc deux HP identiques de diamètre utile 2a (a peu près le diamètre de la membrane + ½ suspension périphérique), montes sur un même écran infini, dont les centres sont a une distance d (distance que l’on doit pas prendre trop grande, voir après).

Sur chacun des deux HP s’exerce une pression acoustique (force de réaction) du au rayonnement de l’autre HP. Il en résulte que la puissance acoustique totale rayonnée est différente de la somme des puissances émises par chaque HP pris individuellement.

On démontre que si P est la puissance acoustique rayonnée par l’un des HP (l’autre HP identique émet la même puissance) la puissance totale rayonnée sera :

Ptotal = P + P + 2P.cos(phi).sin(2p f d/c)/(2 p f d/c)

avec

·       2P.cos(phi).sin(2p f d/c)/(2 p f d/c) terme supplémentaire du a l’effet de couplage.

·       phi le déphasage entre les deux HP ( = 0 dans notre cas, si on n’a pas fait d’erreur de câblage sur les deux haut-parleurs ! )

·       p = 3,1416.

·       F fréquence du son reproduit.

·       C la vitesse du son = 344 m/s.

Cette formule est valide jusqu'a des valeurs de la fréquence telles que :

·       2 p F a / c= 1 ==> F = C / 2 / p / a.

et pour des distances entre centres d telles que

·       2 p F d / c= 2 ==> F = C / p / d

Pour des valeurs faibles de 2p f d/c, sin(2p f d/c) est peu différent de 2p f d/c, le dernier terme de la formule disparaît d’ou :

Ptotal = 2P + 2P.cos(phi).

Avec phi = 0 (source sonore cohérente) on voit que l’effet de couplage correspond a un doublement de la puissance rayonnée, soit +3dB.

En conclusion dans la gamme de fréquences (fréquences basses) ou 2pi f d/c est suffisamment petit pour pouvoir identifier sin(2pi f d/c) et 2pi f d/c et en tenant compte des effets électrique et de couplage cohérent (phi =0) on a bien     :
En mettant deux HP en parallèle :

·       +3dB/1W/1m

·       +6dB/2,83V/1 m

 

En mettant deux HP en série :

·       +3dB/1W/1m

·       +0dB/2,83V/1 m

 

Au delà des fréquences basses, l’effet de couplage diminue et pour les fréquences moyennes et hautes on retrouve.    


 

En mettant deux HP en parallèle :

·       +0dB/1W/1m

·       +3dB/2,83V/1 m

 

En mettant deux HP en série :

·       +0dB/1W/1m

·       -3dB/2,83V/1 m

 Calcul avec plusieurs haut-parleurs :

Cette rubrique fait suite au chapitre Personnalisation des Bass-reflex avec ou sans résonateurs. Elle aurait pu se trouver se trouver dans se chapitre.
Mais les conditions de rendement et de couplage avait aussi besoin d'explications. C'est le pourquoi du placement dans ce chapitre.

 Bass-reflex :

Un calcul en bass-reflex simple avec plusieurs haut-parleurs commence exactement comme pour un seul haut-parleur.      
Il suffit de connaître quelques règles simples, indépendante du branchement électrique :

o       Quand il y a plusieurs haut-parleurs cote à cote, le volume total est celui d'un haut-parleur, multiplié par le nombre de haut-parleurs.       
Si vous avec 37.5 L pour un haut-parleur, et que vous souhaitez en monter quatre, le volume sera 4 x 37.5 = 150 L.

o       Quand il y a deux haut-parleurs en push-pull le volume total est celui d'un haut-parleur, divisé par deux.   
Si vous avez 37.5 L pour un haut-parleur, vous aurez 37.5 / 2 = 18.75 L pour deux haut-parleurs en push-pull.

o       Dans les deux cas, la fréquence d'accord pour un haut-parleur n'est pas modifiée. 
Si vous avez FB = 42.267 Hz pour un haut-parleur dans 37.5 L, vous aurez aussi FB = 42.267 Hz pour quatre haut-parleurs cote à cote dans 150 L, ou pour deux haut-parleurs en push-pull dans 18.75 L.

Avec ces règles simples, j'ai réussi à automatiser ma feuille de calcul.
Dans l'onglet Données HP, il faut rentrer le nombre de haut-parleurs case C2 ( 4 dans l'exemple ), et le type de montage case F1 ( 3 dans l'exemple ) :

o       0 : Haut-parleurs en push-pull branchés en parallèle.

o       1 : Haut-parleurs cote à cote (Façade) branchés en parallèle.

o       2 : Haut-parleurs en push-pull branchés en série.

o       3 : Haut-parleurs cote à cote (Façade) branchés en série.

Push-pull et cote à cote servent pour le calcul du volume et de l'évent.
Parallèle et série servent pour le calcul des correcteurs RLC et RC.

Dans l'onglet Caisson BR les choses sont simples :

Le volume réel pour le calcul n'est pas modifié, il reste à 37.56 L case A5.
La fréquence de calcul n'est pas modifiée, 42.267 Hz case B5.
Le calcul reste fait pour un seul haut-parleur, entre autre pour la puissance case I6.

Le nombre de haut parleur est indiqué case K7.
Le branchement électrique des haut-parleurs est indiqué case K9.
Le volume pratique du baffle est indiqué case K6.
Le volume case K6 est le produit ou la division du volume case A5 et du nombre de haut-parleurs case K7.
Produit ou division sont choisis selon le montage retenu, cote à cote ( Façade ) ou Push-pull.

Dans l'onglet évent, le report du volume et de la fréquence d'accord est automatique.
Il ne reste qu'à ajuster le diamètre et le nombre d'évents qui convient. Un grand volume demande un grand évent, un petit volume demande un petit évent.

Je n'ai pas voulu modifier profondément ma feuille de calcul pour traiter les cas avec plusieurs haut-parleurs.   
La méthode indiquée ici n'est pas d'une ergonomie merveilleuse, mais elle est largement suffisante avec un minimum d'attention.

Bass-reflex à résonateur :

Le calcul des baffles à résonateur avec plusieurs haut-parleurs sera traité ultérieurement.
Mais il est possible dès maintenant d'indiquer la base du calcul :

o       Quand il y a plusieurs haut-parleurs cote à cote, le volume total est celui d'un haut-parleur, multiplié par le nombre de haut-parleurs.       
Si vous avec 37.5 L pour un haut-parleur, et que vous souhaitez en monter quatre, le volume sera 4 x 37.5 = 150 L.

o       La fréquence d'accord pour un haut-parleur n'est pas modifiée.
Si vous avez FB = 42.267 Hz pour un haut-parleur dans 37.5 L, vous aurez aussi FB = 42.267 Hz pour quatre haut-parleurs cote à cote dans 150 L.

o       Quand il y a plusieurs haut-parleur cote à cote, le volume principal est celui d'un haut-parleur, multiplié par le nombre de haut-parleur.

o       Le volume du résonateur est calculé pour être réglé sur la résonance des haut-parleurs dans leur volume principal. Il ne dépend pas du nombre de haut-parleurs.

Le 4eme point est important, le volume du résonateur ne dépend pas du nombre de haut-parleurs, mais uniquement de la résonance du volume principal.


En pratique et avec deux haut-parleurs par rapport à un seul haut-parleur :

o       Le volume total est doublé.

o       Le volume principal est plus que doublé.

o       Le volume du résonateur ne change pas beaucoup...

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Un site intéressant à visiter sur les HP : http://www.emc.fr/pdf/hp.pdf

Voici quelques conseils  pour acheter vos enceintes distillés par Bertrand Schmerber

Les préparatifs indispensables:

Un peu de méthode 

Ce qui révèle les défauts:   

Les risques du métier:

 

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