扬声器单元品质特性详细介绍

2011-09-30 10:43:33来源: 互联网

扬声器单元品质特性详细介绍
                                               

         扬声器单元决定了整个扬声器的终极潜力,而且在整个HIFI系统的声音表现中扮演主角。在现时技术条件下仍然制作不出完美的单元,那个目标尚在几十年之后,因为它要求单元具有与空气相同的密度,在所有频率完全均匀地运动,没有任何种类的失真。

我们面前是漫漫长路,但也应充满信心。此时此刻在材料科学领域正在发生重大进展,过去十年内已经出现了很多成果。我确信将在两三年后又会取得新的突破。

我们受益于计算机模拟力学行为研究的重大进步,以及航空、汽车和运动-休闲工业为采用轻质量的高性能材料替代昂贵而沉重的传统材料所进行的大量研究。我们现在已经有了KEVLAR、碳纤维复合材料和铝振膜,不远的未来还会拥有人造金刚石、超低密度硅玻璃、新型金属单晶体和碳单晶体以及新的复合材料。

为什么扬声器单元有它们各自不同的声音?

设计者面临的最大挑战就是如何既保证运动的均匀性,又消除在中高频的共振。这是在各种扬声器系统中都不得不作出的妥协(无质量扬声器除外)。其他问题还有空腔共振和磁场的非线性。

均匀运动

刚性意味着来自音圈的加速度被精确地转化为在锥盆或球顶整个表面的加速度;这样就可以获得平直的频率响应,迅速的脉冲上升,低的互调失真以及声音的透明感。

发烧友通常把这种类型的声音描述为“速度快”,这一点令那些以客观测量为本的工程师们感到惊谔,“中低音单元怎么可能快?因为分频器限制了脉冲上升时间,相当于高音单元的1/5甚至1/10,这正如外交官常说的一句辞令“全面而坦诚地交换观点”,或者说相互交换误会。

可以说双方都是对的,也都是错的。他们实际上谈论的内容不同。发烧友所听到的是均匀的锥盆运动;这个现象在测试中表现在:没有互调失真,频率响应平坦,干净利落的脉冲响应。

太好了,那么何不把锥盆或球顶的刚度尽可能地做大一些?象青铜这种金属怎么样。它的强度不错,又几乎能加工成任何形状。钟就是用青铜制造的。但问题在于谐振,它们的回声长达几万周。

答案有两点,第一,金属刚度大;第二,钟释放机械能的唯一途径是经过空气,由于空气与青铜的密度相差悬殊,导致耦合不佳,空气负载阻尼微小,因此必然需要很长的时间。所以我们期望着扬声器单元的另一个性能:

自阻尼

我们也希望音圈能及时地制止振膜,不让它们发出自身的音调。不幸的是,大多数刚性材料(例如金属)几乎没有自阻尼,导致其长时间振动。控制此问题的一个办法是把沉重的橡胶折环伸展到锥盆下面,并十分注意定心支片与折环材料的阻尼行为。

然而现在的情况是,即使最好的KEVLAR,碳纤维或铝振膜也至少在工作区的上段出现一个高Q值峰,必须用分频器或滤波器加以校正。糟糕的是,这个峰一般落在3~5kHz之间,这恰恰是人耳对音染最敏感的频率。

自阻尼可以消除染色,并且获得放松的,自然的,不易疲劳的声音特点。许多发烧友甚至一些评论员对于单元材料谐振的特别声音全然不知,却归咎于放大器或房间的敏感性。

有些杂志推荐的2路扬声器采用7"KEVLAR和金属球顶高音。从技术角度看,该扬声器在单元各自的工作区内均匀运动,但实际上要消除KEVLAR 3~5 kHz分割振动区域的能量,对分频器而言是勉为其难。

有关此类型2路扬声器的评论文章以大量篇幅介绍,通过反复试验去选择一种能够完全发挥该扬声器质素的放大器。事实上,音响评论员被迫去选择一种恰好在KEVLAR单元发生分割振动的频率段上失真极低的放大器。因为大多数发烧友和评论员对于扬声器单元的直接声音非常不熟悉,他们不能评价究竟有多少“KEVLAR声”或“铝膜声”被保留在最后设计的系统中。

还有一个问题困扰着所有的2路KEVLAR,金属和碳纤维扬声器。在目前的技术工艺水平下,6.5"或7"单元不得不播放到其工作范围的边缘,以便在失真不太大的频率上与高音单元接合。

如果你降低分频点,高音单元互调失真将激增,导致在中等以及大音量下听音时高频劣化。如果你提升分频点,又出现KEVLAR的分割振动,导致在较低音量时声音前冲,大声压时则完全发破了。

这样使得设计者面临困难的选择:或者在整个高音区粗声;或者典型的KEVLAR前冲性,并有可能给扬声器系统带来狂野的声音。现在最好的办法是利用4阶(24dB/Oct)分频器来纠正KEVLAR的谐振。

顺便指出,我是很喜欢KEVLAR和碳纤维单元的。但是它们都很难对付,必须采用声学和电学的手段控制住它们强烈的谐振。

如前所述,刚性锥盆有一些优点,但阻尼非常困难。另一个途径是采用高损耗材料,传统上是塑胶涂层纸盆,但在现代扬声器中它们逐渐由聚丙烯所取代。这类锥盆可以靠自身阻尼,来自音圈的脉冲在振膜表面扩散时逐渐地损失能量。因而对定心支片和折环的要求也不是很严格。

此类材料在测试时频率响应相当平坦,允许使用简单的6dB/Oct分频器。我本人对多数聚丙烯单元兴趣不大,它们在中低音量下声音有些模糊。虽然没有使用B&K互调失真分析仪,但我推测它们由于很软而具有相当大的互调失真。此外,要制造一种具有完美的线性机械衰减能力的材料是极其困难的。实际上在衰减过程中总是不可避免地伴随着失真。

我认为所有类似现象也出现在软球顶高音单元上;锥盆实际上在整个频带分割振动,仪器测不出来是因为有强烈的阻尼掩盖着,但人耳却能够分辨出来。为了克服这种主观效应,最好的单元(Dynaudio, Scan-Speak, Vifa,Seas,Audax,Morel)都是做成复合材料,在塑料中加入二氧化硅,云母或金属粉末,既能显著提高刚度又能保持聚丙烯柔顺的声音特性。

空腔共振

中低音单元的防尘帽或高音单元的球顶尽管从表面上看毫无害处,但是防尘帽与磁铁极块之间的空间却形成一个小共振腔。这方面典型的例子之一就是70年代初开发的KEF B110 Bextrene中低音单元(被用于BBC LS3/5a)。

这款单元可能是最早的一种商品化高质素中音单元,但它也存在好多问题,例如效率低,功率承受力不足,以1.5kHz为中心宽达一个倍频程的响应峰(由分频器纠正),以4.5kHz为中心的3 个高Q值峰(BBC设计的3 阶分频器只能将其略加衰减)。音响评论员把这些峰值错误地归因于高音单元,它们具有很强的指向性,理应是由防尘帽共振造成的。

70年代流行的一些高音单元,包括Audax和Peerless 1"软球顶,也在9~16kHz之间具有类似的共振峰,通过在球顶和极块之间充填毡垫可以部分地阻尼掉。因为软球顶的内耗要比B110的防尘帽强得多,因此共振也宽得多,而且幅度也只有1~3dB,但还是存在的,敏感的听音者会察觉那种令人疲劳的特性。

不难想象,当年大路货扬声器中所使用的苯酚塑料,玻璃纤维和硬纸球顶的问题是非常糟糕的。(哎,有谁还记得BIC Venturis? Cerwin-Vega? Rectilinear? JBL L100? 我年轻时曾销售过这些可怕的产品,等着顾客用它们试听平克弗洛伊德的“月之暗面”。)

返回现在,优质的中低音和高音单元以两种方法来躲避这个难题:北欧厂商Dynaudio, Scan-Speak, Vifa和seas采用开口式极块组件;法国厂商Audax和Focal采用子弹头式的极块扩展,完全取代了防尘帽。

采用开口式极块在传输线中阻尼球顶的背面波的最著名的产品包括:Dynaudio Esotec D-260, Esotec T-330D, Scan-Speak D2905/9000高音单元。它们在Sonus Faber(世霸)的Extrema 以及ProAc(贵族)Response 3扬声器上的运用证明这一技术是很成功的。

相反,Focal T120 和T120K则在未加阻尼的空腔上使用刚性的玻璃纤维或KEVLAR内凹球顶,其工作范围的高频端呈现一系列高Q值峰,这是由共振腔与刚性球顶的第一次分割振动相互耦合生成的。我对于这些单元开始供应时受到的普遍称赞感到困惑,我不喜欢它们的音色,测试数据也没有特别之处。

然而从各个方面看,新型Focal钛球顶T120Ti和氧化钛球顶T120Ti-O2都十分出色,最近我在试听采用该单元的扬声器时感觉很好。

磁场的非线性

多数发烧友都知道扬声器单元是电感性负载,而音圈恰恰是缠绕在铁磁性极块上的。但却没有多少人了解因此而产生的众多问题。

假如电感值保持恒定,象空气芯电感一样,就不会有问题。只要用R-C网络调整分频器就行了。不幸的是,它是一个铁芯电感,而且电感值还随着音圈位置的改变而变化。

变化的电感值引起严重的后果,因为电感值是决定单元上端频率落降以及声延迟的一个重要因素。改变电感值,频率落降和声延迟也随之变动。每当单元移动达到音圈线性冲程的相当比例时就会发生。以优秀的8"单元Vifa P21W0-12-08为例,线性冲程只有8mm(+-4mm)。大多数8"单元的线性冲程一般为6mm,中音单元一般为1~3mm.

播放一些超低频就会让电感调制的作用显现出来,即在整个频谱上产生互调和FM失真。这对于2路及中音分频较低的3路系统而言是一个大问题。也就是说每当你看见单元的运动时,就已经出现了大量互调和FM失真。这种声音的听感是怎样的?你会发现低频解析度有损失,但这却可能被放大器所存在的问题遮盖(例如输出变压器饱和,电源供应不足)。

解决的措施呢?Scan-Speak的SD系统和 Dynaudio的 DTL 系统用铜包敷极块将音圈感生的涡流短路掉。仔细分析音圈电感参数可以发现这个秘密。

作为全世界最好的8"单元之一的Scan-Speak 21W/8555,其电感值为0.1mH,远低于Vifa P21W0-20-08 的0.9mH。这两款单元都很优秀,但如果要同时发出中频和低频,Scan-Speak当然能够给出更加透明的声音。

电感值还有一层含义,单元的高端频率落降是由音圈的自感和机械落降共同决定的。如果你用音圈电感值和直流电阻来计算落降频率,其值在某些单元上往往比测得的声学落降高很多。而其他多种单元则是计算值低于测量值。原因在于音圈的自感遮盖了机械系统的峰值。这不是一个好现象,机械系统或电系统的任何改变都将强烈地影响到频率响应以及瞬态响应。

顺便提一下,同样的问题也出现在老式动磁唱头上。毫不奇怪,此类唱头在透明度上要比高级动圈唱头差得多。

以下将说明发烧友如何去寻找所喜爱的扬声器,得出自己的结论,甚至猜测出厂商、评论员和你朋友们的音响喜好。

单元的类型

熟悉并掌握单元的基本特性对于听音和对比是颇有帮助的,你可以断定它是否属于同类单元中的好东西。通过仔细聆听和研究所有相关的参数,你能够发现设计师们在解决问题时做得究竟好不好。

1 纸盆单元

最早出现在20年代末赖斯和科洛格的专利申请文件中。纸的质素可谓有天壤之别,最差的可以在廉价收音机里找到,优秀的如Scan-Speak 5"中音用于Thiel的音箱,SEAS 6.5"中低音用于Wilson WATT。这种古老的材料实际上是一种复合结构,当使用合适的塑料涂层时性能会发生显著的改变(涂层的选择是单元生产厂商的商业秘密)。因为纸的特性随着湿度和时间而发生显著变化,涂层是不可或缺的,既稳定了材料,又可改善自阻尼。

优点:

良好甚至于优秀的自阻尼,优秀的解析力和细节,平坦的响应,逐渐开始分割振动。比较容易配合低阶线性相位分频器。纸振膜的声音要比它的测量数据所预示的好一些。

缺点:

刚度不如KEVLAR,碳纤维和金属膜,因此缺乏静电式的细节。声压级也不如其他材料。

纸的一致性没有合成物质好,所以配对不是很精确,这就可能影响结象力,当然还取决于生产的精度和质素。即便经过了涂层处理,随着时间的推移,性能仍可能改变。

优质产品:

Scan-Speak 8640 5"锥盆/球顶中音,线性响应上到13kHz,失真很小,脉冲响应优秀,细节丰富。

SEAS 6.5"中低音(用于Wilson 的WATT,但可能已经过改良)。

Audax PR170M0 6.5"高效率(100dB/m)中音。

据说库特缪勒生产的纸盆和折环质量最好,被Scan-Speak, SEAS, Vifa等厂商采用。

2 BEXTENE锥盆

这是一种由木材纸浆合成的塑料,总是要用涂层阻尼材料来控制其在15kHz的第一次谐振。它最早是由BBC于1967年开发的,作为具有更好的一致性和可预测性的材料来代替纸,以适应监听用途。在70年代初期得到广泛使用,当时的典型发烧音箱往往是一只8" KEF或Audax的BEXTENE中低音配合Audax 1"软球顶高音。

来源于BBC的设计总是利用均衡使BEXTENE单元在中频段保持平坦,最有名的单元大概就是用于LS3/5a监听箱的KEF B110。

现在BEXTENE已经被BBC首先开发的聚丙烯取代了,聚丙烯单元频率响应更平坦,不再需要涂层,而且由于质量减轻,效率提高了3~4dB。BEXTENE已经退出历史舞台。

优点:

良好的结象,解析力比多数纸盆好。

缺点:效率很低(85dB/m),强烈的染色,在不太大的声压突发分割振动。

优质产品:

阙如。

3 软球顶高音

70年代初Peerless 1"软球顶出现后,逐渐开始普及。随后,Audax 1"高音在70年代和80年代初被英美两国的许多设计师采用。

当80年代中期钛、铝球顶和Focal玻璃纤维内凹球顶出现后,这些设计就失宠了,Audax软球顶单元被挤出发烧级市场。

过去几年里,以Dynaudio和Scan-Speak为代表的软球顶高音再度回潮,它们采用了新的球顶成型,新的涂敷材料以及新的设计,其表现堪与任何金属球顶媲美。声音的解析力和细节与最好的金属球顶不相上下,却没有金属球顶那种典型的22kHz~27kHz谐振。

优点:

固有的自阻尼和极其平坦的响应,一流的脉冲响应。自然,开放,毫无疲劳感的声音,聆听数字录音时这无疑是最有价值的品质。

缺点:

老式的软球顶声音晦暗。功率承受力相当有限,需要18dB/Oct分频器来减低互调失真。与金属球顶相比,高频发散性更差。

除了发散性这一方面,最新的设计已没有其他上述缺陷。

优质产品:

Dynaudio Esotec D-260,Esotec T-330D, Scan-Speak D2905/9500。

4 软球顶中音单元

试听过AR-3,AR LST,ADS,Audax 2″,Dynaudio D-52软球顶中音之后,发现它们把扬声器系统搞得一塌糊涂。测量时很平坦,但听起来声音不透明,严重染色,令人疲劳。

问题之一是软球顶中音单元的线性位移很有限(一般为1~2 mm),导致带宽也有限,而且连500Hz分频都不能很好地配合,只是在800~3200 Hz之间的范围工作最佳。

第二个问题是它们容易产生侧向偏移,因为没有定心支片来协助折环使之保持线性的前后运动。

第三个问题是丝膜球顶的刚度不足以完成中频带的很强的功率转换任务。

新一代的锥盆-球顶,例如5"的Scan-Speak 13M/8636, 13M/8640, Dynaudio 15W-75则是完全不同。这三种单元实际上是高精密的锥盆,而非中音球顶。它们与软球顶唯一类似的地方是都有一个大的防尘帽,在高频时也可起到球顶的作用。

它们明显地具有更大的冲程,更低的失真,宽得多的频率响应。此类单元能够获得真实而透明的声音。因为它们分别采用KEVLAR、纸以及聚丙烯,以下将详细介绍。

另一个特例是专业级的ATC 3" 球顶(带有短号筒)。它使用了双重定心支片,显著降低了互调失真。其表现可谓最佳,但十分昂贵(约300美圆一只),而且需要手工挑选以便使左右声道谐振频率匹配。

优点;

无。也许金属球顶中音尚有潜力,但它们对分频器的要求很苛刻。注意:ATC单元以及锥盆-球顶不在此列。

缺点:

失真大,声音令人疲劳,分频点高,频带和功率承受力都有限。只有激光全息测量才能发现它们的缺陷。

优质产品:

ATC 3" 专业系列,与一般软球顶截然不同,但价格却大约贵4倍。有人认为Dynaudio的D54是最好的中音。

5 聚丙烯单元

1976年BBC开发了这种材料用来替代BEXTRENE。因为它具有很强的自阻尼,设计恰当的聚丙烯单元无须作任何均衡,就可以在工作区获得平坦的响应。此外,其效率一般达到88~91dB,也是一大进步。

聚丙烯已经成为世界通用的材料,因为在组装扬声器时它对手工处理的要求最低----唯一的困难是要找到合适的黏合剂,这个问题在80年代初就解决了。

现在,从廉价的组合音响到一流的ProAc Response 3和Hales System 2 签名版的各种扬声器都使用聚丙烯单元。此类单元的最终品质主要取决于锥盆的形状以及聚丙烯配方中的添加材料。

优点:

如果设计正确,可以获得平坦的响应,很低的声染色,良好的脉冲响应,分频器可以很简单,效率高,分割振动出现缓慢。优质产品可以做到与最好的纸盆相当的透明度。

缺点:

还达不到由刚性锥盆单元和静电单元所设定的透明度标准。由于解析力的差异,许多聚丙烯中低音不能与流行的金属球顶高音很好地匹配。不适合做10英寸或更大的低音单元,这方面碳纤维应当会更胜任。

优质产品:

Scan-Speak 18W/8543 7″中低音(用于ProAc Response 3),可能是全世界最好的聚丙烯单元。

Dynaudio 17W-75 EXT 7″中低音(用于Hales System 2 签名版)。

Vifa P13WH-00-08 5.5"单元是另一个优胜者,特别适合做中音或mini监听箱用。它极其平坦的中频与平滑的2阶落降是独一无二的。

6 金属球顶高音

80年代中期德国在冶金技术上的进展(ELAC 和MB公司)使得薄型钛,铝球顶诞生,现在德国,挪威和法国有多家厂商可以供应此类单元。它们的声音可以做到非常透明,假如设计得当其表现与静电式扬声器不相上下。

其缺点在于欠缺自阻尼,但铝膜在超声波频段的性能要比钛膜略胜一筹。在现阶段,所有的金属球顶高音单元都具有显著的超声波段峰值,其幅度从3dB(优秀的)到12dB(一般的)不等。

然而这些峰值的影响似乎并不大,因为“足智多谋”的SONY/PHILIPS早已在CD红皮书标准中就确保了CD唱片绝不会包含任何20kHz以上的音乐信息。也许当以HI-FI为理念的超级CD实现商品化之时,我们才能获得频率上限至少到32kHz,解析力真正达到20~24比特的录音。

优点:

均匀的活塞运动,设计恰当就可以产生极高解析力的透明的声音。发散性非常好,因为金属球顶的曲率半径比软球顶的大。

缺点:

可能由于超高频的峰值与可闻频带内的声音的交互调制而产生“金属”的染色。一些早期产品功率承受力有限。当强烈过载时,在整个频带上出现明显的分割振动失真。

优质产品:

Vifa D25AG-35-06 1″铝球顶,采用开口式极块,功率承受力很强,即使拿掉相位器,超高频的峰值也只有3dB。Focal的新型T122Ti-O2也是非常出色的。

7 刚性单元

铝质锥盆。 第一批用于HI-FI扬声器的刚性单元是Jordan Watts 4"铝质锥盆,它们是手工生产的,价格高,效率低,无法普及,在美国市场上几乎看不到。现在一些英国扬声器采用5"和7"铝盆中低音单元,其灵敏度很低,还要分频器加以滤波修正。

泡沫盆。 另一类以KEF B139为代表的泡沫低音单元,但其效率和功率承受力都很低,中频有严重的高Q谐振。B139在1100Hz的峰值有12dB。它们在70 年代的3路和4路传输线扬声器中被普遍采用。

碳纤维。 接下来一代是日本人开发的碳纤维,最早出现的是专业录音室监听箱12" TAD,效率很高,价格很贵(1980年时一只约300美圆)。现在,碳纤维的价格已经降低,Vifa和Audax都有很不错的此类产品。当然日本的产量大得多。

碳纤维单元具有真正的活塞运动,低频和中低频的响应十分出众,但在频率上端的分割振动很讨厌,必须由复杂的分频器加以修正。

尽管我不喜欢需要复杂滤波器的单元,但得承认,Vifa 8"和10" 碳纤维单元是唯一能使我确实感受到低频的直接辐射器。

KEVLAR。KEVLAR单元于80年代中期出现在法国Focal 和德国Eton的产品线上,Eton的单元由于在两层KEVLAR中间加入了高损耗蜂巢结构而具有优良的阻尼特性。Eton和更新的Scan-Speak KEVLAR单元分享着世界最杰出高技术扬声器单元的美名。

在新型Scan-Speak KEVLAR单元上可以发现一个独特而且是我们所渴望的特性,即平滑的落降。其他所有KEVLAR单元都会发生混乱的分割振动,Scan-Speak是唯一得到良好控制的,因此在平顺性和透明度方面获得明显的改善。

复合盆。 Audax凭借一种特别的复合材料技术HD-A重新进入High-End市场。这是在丙烯酸胶体内按一定比例混合粒状碳纤维和KEVLAR纤维制成。工厂的测试结果显示,它结合了良好的活塞运动与最低的高频峰值,以及平滑的高频落降。

最近,俄国科学家实现了低成本的金刚石气相涂层,可用于计算机磁盘上。希望Scan-Speak和其他厂商能迅速采用这一技术。

刚性单元总体的优缺点

优点:最佳的透明度,结象力和声场再现力,精心设计的话可以达到甚或超越静电式扬声器的水准。效率高,声压级大,互调失真低。这一类单元被许多设计师视为是最先进的,而且随着材料技术的进展,可能会有快速的进步。

缺点:老的设计在工作频带的上端存在严重的峰值,而几乎所有单元都在高频峰值以上出现不可控的分割振动区。这将导致长时间聆听的疲劳以及声场透视的压缩感。

因为KEVLAR和碳纤维的高频峰值无法用普通的低通滤波器改正,采用这些单元的扬声器必须正确地设计合适的分频器。

虽然它们可以有很大的声压级,但往往在突然之间发生分割振动,与放大器的削波十分类似。有些KEVLAR 和碳纤维单元需要很长的“煲机”时间(100小时以上),以便使锥盆中的纤维软化;这是一个缺点,说明材料的力学性能不稳定。

优质产品:Scan-Speak 13M/8636 5"中音,18W/8544 7"中低音,21W/8554 8"低音。KEVLAR单元中只有它们在高频峰值以上表现为良好的落降区。这些单元处于刚性单元技术的顶尖位置。

Audax HD-A系列的HM130Z0 5.25"中音,HM170G4 6.5"中低音,HM210Z0 8"低音都不错。

德国Eton也值得密切关注,该厂家一直致力于在保持锥盆的刚度的同时,改进自阻尼特性的工艺研究。

评估单元的方法

我选择扬声器的方法似乎有些原始,我把单元放在IEC障板上进行试听。不用分频器,也不用箱体。听粉红噪声来评估在正弦波和FFT瀑布图测量中出现的峰值其严重程度如何,听音乐来感受单元的潜在的分析力有多少。这的确需要你的耳朵训练有素,这个听音过程可以使你认识到分频器需要多么复杂。

然后,我会仔细地分析MLSSA电脑测试系统的结果(使用相同的IEC障板),考察以下内容:脉冲响应;相对于频率响应的群延迟;累积衰减频谱瀑布图;工作频段内的频率响应平坦度。

听音与测试可以说是同等重要的,二者都只能揭示出单元真实特性的部分面貌。即使是今天最好的发烧音响系统,在5年之后也可能被发现存在严重的瑕疵。通过测试可以找出声染色的问题所在,而且又恰恰是现今的音响器材无法暴露出来的。MLSSA系统有助于你解决这些问题。

一位深思熟虑的设计师应当象有名的艺匠那样善待其作品,即便是对待从外表根本看不到的隐藏部分,也毫不吝惜地倾注全部心思。

关键字:扬声器  单元  品质  特性

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0930/article_12036.html
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