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Die nachfolgend angeführten Beispiele sollen die Anwendung der in Abschn. 3.2 besprochenen neu entwickelten Meßverfahren demonstrieren. Wie schon im vorangegangenen Abschnitt erläutert worden ist, stehen hier nur die Bereiche sehr kleiner Impedanzen zur Diskussion, da zur Bestimmung von größeren Tonabnehmerimpedanzen die bereits vorhandenen Meßverfahren ausreichen.

Allerdings muß vorab noch erwähnt werden, daß hier im Gegensatz zu allen zitierten Autoren nicht die Vertikal- oder Horizontalimpedanz der Tonabnehmer gemessen wurde, sondern die bei Stereobetrieb viel interessantere Flankenimpedanz.

Mit anderen Worten: Es wurde bei allen Messungen die Impedanz für eine Schwingungsrichtung gemessen, die einer Anregung der Tonabnehmernadel für die Wiedergabe eines einzelnen Stereokanals (rechts oder links) entspricht.

Aus Gründen der Einheitlichkeit sind jeweils nur Meßergebnisse für den rechten Kanal angegeben. Die nachfolgend dargestellten Ortskurven gehen aus Gründen, die im vorangegangenen Abschnitt erläutert wurden, nicht über eine Frequenz von 3000 Hz hinaus; die aus der Messung mit Massenkrafterregung (Abschn. 3.21) resultierenden Ortskurven enden, wie schon angedeutet, bereits bei 1.OOO Hz.

Um den Unterschied zwischen dem mechanischen Aufbau eines piezo-elektrischen und dem eines elektro-magnetischen Tonabnehmersystems meßtechnisch erfassen zu können, wurden Impedanzmessungen nach dem neu entwickelten Verfahren nach Abschn. 3.22 durchgeführt.

Mit diesem Verfahren konnten die Ortskurven der zu vergleichenden Systeme bis zu einer Frequenz von fast 3.000 Hz angegeben werden. Bild 3.17 zeigt die Ortskurve eines elektro-magnetischen Tonabnehmersystems, das mit dem im vorangegangenen Abschnitt untersuchten System vergleichbar ist.

Auch hier kann wieder festgestellt werden, daß die einfachste Näherung eines mechanischen Parallelkreises das mechanische Verhalten des Systems genügend genau beschreibt. Bei den Frequenzen von 250 Hz, 500 Hz und 2.000Hz wurden mehrere Messungen mit unterschiedlichen Zusatzmassen durchgeführt, um die erreichte Genauigkeit auch einmal auf diese Weise zu demonstrieren; diese Meßwerte wurden durch zusätzliche Punkte gekennzeichnet.

In Bild 3.18 ist die komplexe Impedanz eines guten piezo-elektrischen Tonabnehmers dargestellt. Augenfällig ist ganz allgemein bei dieser Ortskurve, daß die Impedanzbeträge für alle gemssenen Frequenzen wesentlich größer sind als bei allen bisher gemessenen Ortskurven.

Das bedeutet, daß dieses TonabnehmerSystem im Vergleich zu dem in Bild 3.17 dargestellten System eine sehr viel härtere Federung besitzt und daß seine Nadelhalterung durch eine wesentlich größere Massenträgheit gekennzeichnet ist als sie bei dem elektro-magnetischem Vergleichssystem anzutreffen ist.

Die Resonanzfrequenz beider Systeme unterscheiden sich nur geringfügig; daran kann man das Bestreben erkennen, unabhängig vom Tonabnehmertyp die Impedanzen im Frequenzbereich von 500 Hz bis 1000 Hz möglichst klein zu halten, da in diesem Frequenzbereich aufgrund der Schneidkennlinie die größten Schnelle-Amplituden bei der Wiedergabe von Musik zu erwarten sind.

Wären die Impedanzbeträge in diesem Frequenzbereich ebenfalls groß, so würden die auf die Rillenwand ausgeübten Kräfte, die ja aus dem Produkt aus Schnelle und Impedanz resultieren, sehr hohe Werte annehmen.

Besonders große Abnutzungskräfte können bei dem gemessenen Kristallsystem in einem Frequenzbereich um 2.000Hz auftreten, da an dieser Stelle eine Serienresonanz der Nadelhalterung liegt, die zu einem relativen Maximum des Impedanzbetrages führt.

Betrachtet man die aus dem Bildern 3.17 und 3.18 ersichtlichen mechanischen Eigenschaften eines elektro-magnetischen und eines piezo-elektrischen Tonabnehmers zusammengefaßt, so erkennt man, daß außer im Frequenzbereich um 1.000Hz die Impedanzen des piezo-elektrischen Systems wesentlich größer sind als die des zum Vergleich dienenden elektro-magnetischen Systems. Daraus ist auf eine höhere Schallplattenabnutzung durch das piezo-elektrische Tonabnehmersystem zu schließen.

Der Federungsanteil einer Tonabnehmer-Impedanz besteht immer - wie auch aus den bisher gezeigten Tonabnehmerdarstellungen ersichtlich ist - aus dem Federungswiderstand einer Gummi- oder Kunststoffhalterung. Es ist daher nicht zu erwarten, daß sich dieser Federungswiderstand verhält wie beispielsweise eine Blattfeder oder Spiralfeder aus Metall.

Da die Federwirkung einer solchen Feder auf dem Elastizitätsmodul eines Metalles beruht, ist sie weitgehend temperaturunabhängig. Ganz anders sind jedoch die Eigenschaften, die eine federnde Halterung aus Gummi oder Kunststoff kennzeichnet: Diese Materialien verhalten sich bei höheren Temperaturen wie hochviskose Flüssigkeiten. Ihre Federungs- und Dämpfungseigenschaften sind stark temperaturabhängig.

Bei der Wiedergabe von Schallplatten können durch den Abtastvorgang elastische und plastische Verformungen der Rillenflanke entstehen, durch die das aufgezeichnete Signal bei der Wiedergabe verfälscht wird.

Wenn man von Abnutzung einer Schallplatte spricht, so meint man damit das Entstehen von plastischen Verformungen, denn diese sind definitionsgemäß irreversibel. Solche Verformungen entstehen im wesentlichen durch Kräfte, die Einwirkung von Wärme und ähnlichen Einflüssen soll in diesem Zusammenhang unbeachtet bleiben.

Im allgemeinen wird behauptet, daß die Abnutzung von Schallplatten einzig und allein durch das Auflagegewicht entstehe, wobei man mit Auflagegewicht die statische Kraft meint, welche die Nadel in die Rille drückt.

Diese Behauptung ist nicht richtig. Mindestens in demselben Maße sind die durch das Tonabnehmersystem auf die Rillenflanke ausgeübten dynamischen Rückwirkungskräfte von Bedeutung, die sich aus der Größe der mechanischen Tonabnehmerimpedanz ergeben.

Bevor aber der Einfluß der Tonabnehmerimpedanz auf die Schallplattenabnutzung untersucht wird, sollen in knapper Form noch weitere Ursachen für die Abnutzung aufgezählt werden.

Zunächst sei noch einmal die statische Auflagekraft erwähnt; klar ist, daß durch eine erhöhte Auflagekraft auch die Schallplattenabnutzung ansteigen muß. Zu dieser trivialen Aussage gesellt sich ein sehr wesentlicher Aspekt hinzu, wenn man in diesem Zusammenhang auch an den Verrundungsradius der Tonabnehmernadel denkt.

Es ist z.B. durchaus beachtenswert, daß eine Tonabnehmernadel mit eliptischem Querschnitt bei gleicher Auflagekraft eine stärkere Abnutzung bewirken kann als eine Nadel mit rundem Querschnitt, da der Verrundungsradius der Ellipse an der Berührungsstelle mit dem Schallplattenmaterial kleiner ist, als der einer Nadel mit rundem Querschnitt (siehe auch Bild 1.4).

Maßgebend für die Abnutzung aufgrund der statischen Belastung ist also nicht so sehr die wirksame Kraft sondern vielmehr der Flächendruck. (Flächendrucke in der Größenordnung von Megapond pro Quadratzentimeter sind beim Abtasten von Schallplatten durchaus keine Seltenheit.)

Eine weitere Kraft, die eine Schallplattenabnutzung verursachen kann, ist die sogenannte Skatingkraft (siehe auch Abschn. 1.21): Durch die spezielle Anordnung des Tonarmes und die Abkröpfung des Tonarmteiles, der das Tonabnehmersystem trägt, wirkt bei der Drehung der Schallplatte eine Kraft, welche die innere Rillenflanke zusätzlich belastet.

Da auch die Skatingkraft als eine statische Kraft angesehen werden kann, läßt sie sich, ähnlich wie die Auflagekraft, durch Gegengewichte oder Federn in einfacher Weise kompensieren, so daß Abnutzungserscheinungen als Folge der Tonarmgeometrie nur von untergeordneter Bedeutung sind.

Von gleich geringer Bedeutung sind Kräfte, die durch Unwuchten entstehen, beispielsweise bei fehlerhaftem Antrieb. Auch die Abnutzungserscheinungen, die auf Verschmutzung der Schallplatten durch elektrostatische Aufladungen zurückgehen, mögen aufgrund ihrer geringfügigen Bedeutung unbeachtet bleiben.
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Nach dieser Aufzählung von Ursachen für eine Schallplattenabnutzung - die keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt - werden sich die nachfolgenden Abschnitte ausschließlich mit dem Zusammenhang zwischen Tonabnehmerimpedanz und Schallplattenabnutzung beschäftigen.

Dazu muß aber vorher noch in einem separaten Kapitel über den Nachweis von Schallplattenabnutzung diskutiert werden, da sonst die praktischen Beweise für eine Korrelation zwischen Tonabnehmerimpedanz und Schallplattenabnutzung fehlen würden.
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Mit Hilfe eines Mikroskops, das einen genügend großen Vergrößerungsfaktor besitzt, läßt sich eine Schallplattenrille und deren Flanke bei geeigneter Beleuchtung gut sichtbar machen. Man kann daher durch Beobachten der Rillenform einer Meßschallplatte vor dem Abspielen und nach mehrmaligem Abspielen die Auswirkungen der Abnutzung beobachten. Unter Umständen kann man sogar von der Art der Rillenbeschädigung auf die Art der Impedanz schließen, welche die Beschädigung verursacht hat; ein Beispiel dafür ist in Kapitel 6 zu finden.

Wie Guttwein /19/ ausführlich beschreibt, entsteht beim Wiedergeben von Schallplattenaufzeichnungen eine Vielzahl von nichtlinearen Verzerrungen.

Der Klirrfaktor, der ihren Einfluß zahlenmäßig wiedergibt, ist erheblich größer als man gemeinhin annimmt. Mit Maximalwerten bis zu 10% muß man auch bei dem heutigen Stand der Schallplattentechnik noch durchaus rechnen.

Es ist bekannt, daß sehr stark beschädigte Schallplattenrillen einen zusätzlichen Klirrfaktor aufweisen, der durch das Vorhandensein von plastischen Verformungen zu erklären ist.

Da die relativ großen Verzerrungen, die durch den Abtastvorgang entstehen, den durch die Abnutzung entstandenen überlagert sind, ergeben sich meßtechnische Schwierigkeiten.

Um die Klirrprodukte nach ihrer Herkunft untersuchen zu können, ist es daher am günstigsten, vor und nach der durch mehrfaches Abspielen erzeugten Abnutzung eine Klirrfaktormessung an ein und derselben Platte durchzuführen; ein Ansteigen der Klirrprodukte läßt ein Anwachsen der Rillenbeschädigung erkennen.

Dieses elektrische Verfahren zur Untersuchung der Schallplattenabnutzung ist wesentlich einfacher zu handhaben als eine optische Kontrolle der Rillenflanken. Oft reicht sogar die Bestimmung des Klirrfaktors k3, der als Quotient aus der ersten Oberschwingung und der Grundschwingung definiert ist, gemessen an der neuen Schallplatte und an der abgenutzten Schallplatte zur qualitativen Ermittlung der Abnutzungsschäden vollkommen aus. So wurde z.B. für die in Kap. 6 angeführten Messungen das Anwachsen des Klirrfaktors k3 mit der Abnutzungsdauer zur Erfassung der Abnutzungserscheinungen herangezogen.

Bei längeren Abnutzungsmeßreihen zeigte es sich, daß nicht nur der Klirrfaktor sondern sogar schon eine Veränderung der Grundschwingung als Nachweis für eine Abnutzung der Schallplatte benutzt werden kann.

Bei der Messung der Grundschwingung einer hohen Frequenz (ca. 3.000Hz), bei der das Abtastsystem hauptsächlich durch seine Massenträgheit gekennzeichnet ist, konnte beispielsweise nach längerer Abspieldauer eine Vergrößerung der über ein schmalbandiges Filter gemessenen Grundschwingung festgestellt werden.

Das ist folgendermaßen zu erklären: Aufgrund ihrer Massenträgheit ist die Tonabnehmernadel bestrebt, über das durch die Schallplattenrille gegebene Auslenkungsmaximum hinauszuschwingen; dadurch kommen nach und nach plastische Verformungen zustande, die nicht nur in der Vergrößerung der Klirrprodukte sondern auch in der Vergrößerung des Effektivwertes der Grundschwingung ihren Ausdruck finden können.

Ein solches Verhalten ist für alle gemessenen Tonabnehmersysteme oberhalb einer Frequenz von 2.000Hz sehr gut nachweisbar, so daß dies als ein Charakteristikum für die Schallplattenabnutzung bei vergleichenden Messungen herangezogen werden kann.

Wie sieht aber nun die Einwirkung der Schallplattenabnutzung auf eine Grundschwingung von tiefer Frequenz aus? Bei tiefen Frequenzen (unterhalb von 500Hz) sind alle Tonabnehmersysteme durch ein Überwiegen des Federungswiderstandes gekennzeichnet. Die Nadel eines Tonabnehmersystems, dessen Impedanz Federungscharakter hat, ist bestrebt, den ihr aufgezwungenen Schwingungen eine Kraft entgegenzusetzen, die proportional der aufgezwungenen Auslenkung ist. Das macht sich bei der Abtastung einer sinusförmigen Information als Verkleinerung des Effektivwertes der Grundschwingung bemerkbar.

Ein solches Verhalten wurde bei vielen Tonabnehmersystemen z.B. bei einer Frequenz von 300Hz festgestellt, bei der diese Tonabnehmer eine Impedanz mit negativem Imaginärteil besitzen (Federung überwiegt gegen Massenträgheit).

Aus diesen Darlegungen ersieht man, daß für Vergleichsangaben durchaus die Messung des Effektivwertes der Grundschwingung brauchbare Aussagen über den Abnutzungsgrad von Schallplatten, abhängig von der Tonabnehmerimpedanz, machen kann.

Da die mechanische Impedanz eines Tonabnehmers eine Art Apparategröße ist, die das Abtastverhalten eines Tonabnehmersystems und vor allem die vom System auf eine Schallplattenrille zurückwirkenden Kräfte beschreibt, ist es wichtig, das Abtastverhalten unterschiedlicher Tonabnehmersysteme, deren Impedanz zuvor gemessen wurde, im Hinblick auf die Schallplattenabnutzung zu untersuchen und mit der dazugehörigen Tonabnehmerimpedanz in Zusammenhang zu bringen.

Als Versuchsobjekte wurden zwei TonabnehmerSysteme ausgewählt - ein elektro-magnetisches und ein piezo-elektrisches - , deren Impedanz nach den neu entwickelten Verfahren gemessen wurde. Die aus den Messungen errechneten Ortskurven dieser Systeme wurden bereits in Bild 3.17 und 3.18 gezeigt.

Spielt man mit jedem dieser Systeme eine Meßschallplatte ab, auf der alle Frequenzen des Hörbereiches mit vorgegebenen Schnelle-Amplituden aufgezeichnet sind, so gilt für jedes dieser Tonabnehmersysteme, daß in diesem Fall die Rückwirkungskraft proportional der Tonabnehmerimpedanz ist.

Da die aus der Tonabnehmerimpedanz angebbare Rückwirkungskraft als unmittelbares Maß für die Abnutzung der Schallplatte angesetzt werden kann, müßte auch die nach den im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Methoden bestimmbare Abnutzung mit der Tonabnehmerimpedanz in gleicher Weise korreliert sein.

Das bedeutet aber, daß es einen meßbaren Zusammenhang zwischen Tonabnehmerimpedanz und der durch sie verursachten Abnutzung geben muß.

Ganz allgemein verhält sich die Impedanz aller Tonabnehmersysteme qualitativ völlig gleich; in einem unteren Frequenzbereich bis zu einer Frequenz von ca. 500Hz steigt der Betrag der Impedanz (aufgrund des Federcharakters) mit abnehmender Frequenz an, in dem Bereich zwischen 500Hz und 1000Hz liegt die Parallelresonanz, bei welcher der Betrag der Impedanz ein Minimum durchläuft, und oberhalb dieses Bereiches schließlich steigt der Betrag der Impedanz mit wachsender Frequenz an.

Aus diesem für alle TonabnehmerSysteme typischen Impedanzverlauf folgt, daß im unteren Frequenzbereich wie auch im Bereich sehr hoher Frequenzen die größten Abnutzungskräfte auftreten müssen, im Bereich der Resonanzfrequenz dagegen muß die Abnutzung minimal sein.

Vergleicht man die in Bild 3.17 und Bild 3.18 in ihrem Impedanzverlauf dargestellten Tonabnehmersysteme miteinander im Hinblick auf ihre Federungseigenschaften, so erkennt man, daß das piezo-elektrische System eine wesentlich härtere Federung besitzt als das elektro-magnetische :

Bei einer Frequenz von 300Hz beispielsweise hat das Kristallsystem einen Federungswiderstand, der ungefähr drei- bis viermal so groß ist wie der des elektro-magnetischen Systems. Wenn nun für beide Systeme von der Meßschallplatte her dieselbe Wechselgeschwindigkeit vorgegeben ist, so sind folglich beim Kristallsystem Rückwirkungskräfte zu erwarten, die drei- bis viermal so groß sind wie die des MagnetSystems, es müßte also bei dieser Frequenz auch eine entsprechend größere Abnutzung der Meßschallplatte feststellbar sein.

Dies ist durch die in Bild 6.1 angegebene Meßkurve nachzuweisen: Bild 6.1 zeigt die Verminderung der aufgezeichneten Grundschwingung, die ja, wie im vorangegangenen Kapitel erwähnt, als Maß für die Abnutzung dienen kann, nach einem 200maligen Abspielen einer aufgezeichneten 300Hz - Schwingung, abgespielt mit dem elektro-magnetischen System. Es ist zu erkennen, daß die Spannung der gemessenen Grundschwingung nach dieser Abspieldauer um 0,7 dB abgefallen ist.

Führt man mit dem Kristallsystem dieselbe Messung bei gleich langer Abspieldauer durch, so fällt hierbei die Ausgangsspannung um 1,6dB gegenüber der Ausgangsspannung der nicht abgenutzten Schallplatte ab (siehe Bild 6.2).

Daraus folgt, daß das Magnetsystem eine geringere Abnutzung verursacht als das Kristallsystem (Allerdings ist der durch die Federung verursachte Abnutzungsgrad bei beiden Systemen nicht sehr groß).

Die Ursache dieser elektrisch gemessenen Verminderung der Ausgangsspannung läßt sich auch anhand einer mikroskopischen Betrachtung der noch neuen und der abgenutzten Schallplattenrille nachweisen: Bild 6.3 zeigt z.B. die Abbildung einer Schallplattenrille, auf der in einkanaliger Flankenschrift eine sinusförmige Information aufgezeichnet ist.

Aufgrund der Abnutzung durch den Federungswiderstand der Impedanz treten im Mikroskop sichtbare Erosionen an den schraffierten Stellen auf, die dazu führen, daß die im Bild links liegenden Maximalwerte der aufgezeichneten Sinuskurve kleiner werden; somit wird auch der Effektivwert der Auslenkung vermindert.

Qualitativ ist im Mikroskop auch erkennbar, daß die entstandenen Erosionen beim Abspielen mit einem Kristallsystem stärker auftreten als bei der Abtastung mittels eines Magnetsystems.

Mit Hilfe dieser Aussagen - der elektrischen und der optischen - wäre für den Bereich tiefer Frequenzen bewiesen, daß eine Abnutzung zu einer Verkleinerung des aufgezeichneten Signals führt; weiterhin ist erwiesen, daß das Kristallsystem aufgrund seiner härteren Federung eine stärkere Abnutzung verursacht als ein Magnetsystem.
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Vergleicht man den Massenanteil der in den Bildern 3.17 und 3.18 dargestellten Tonabnehmerimpedanzen, so erkennt man, daß das Kristallsystem einen größeren Trägheitsanteil besitzt als das Magnetsystem: Der Massenwiderstand des Kristallsystems ist mindestens zweimal so groß wie der des Magnetsystems.

Außerdem weist das Kristallsystem bei ca. 2000Hz ein relatives Maximum des Impedanzbetrages auf, das in der schon erwähnten Serienresonanz begründet ist. Insgesamt müßte aus diesen Fakten zu erwarten sein, daß in einem Frequenzbereich, in dem die zu vergleichenden Systeme durch einen Massenwiderstand zu kennzeichnen sind (oberhalb von 1000Hz), das Kristallsystem wiederum eine größere Abnutzung bewirkt als das Magnetsystem.

Zur Bestätigung dieser Behauptung möge diesmal ein Verfahren, das ein Ansteigen des Klirrfaktors zweiter Ordnung als Kriterium für den Abnutzungsgrad einer Schallplatte ausnutzt, zur Ermittlung der Abnutzung angewendet werden (siehe Abschn. 5.2).

Meßkurven, die nach diesem Verfahren aufgenommen wurden, sind in Bild 6.4 dargestellt. Hier benötigte man zur Erzeugung einer gut feststellbaren Abnutzung lediglich ein 60maliges Abspielen der Meßschallplatte.

Die Meßkurven geben die Erhöhung des Klirrfaktors "delta K2" bezogen auf den ohne Abnutzung vorhandenen Klirrfaktor der Aufzeichnung k2 an.

Vergleicht man die Frequenzabhängigkeit der für das Kristall- und das Magnetsystem aufgenommenen Kurven mit dem Verlauf der dazugehörigen Ortskurven der Tonabnehmerimpedanzen, so kann man ganz eindeutige Zusammenhänge daraus erkennen:

Die Abnutzungskurven laut Bild 6.4 zeigen oberhalb der Resonanzfrequenz als gemeinsames Kennzeichen ein Ansteigen des Abnutzungsgrades mit wachsender Frequenz; das entspricht dem ansteigenden Massenwiderstand der Impedanz, der ja die Ursache für das Entstehen der abnutzenden Trägheitskräfte ist.

Das Kristallsystem zeigt wesentlich stärkere Abnutzungserscheinungen als das Magnetsystem; dies kommt in der Impedanzkurve durch den größeren Massenwiderstand des Kristallsystems zum Ausdruck. Beim Magnetsystem dagegen ist bis zu einer Frequenz von ca. 4.000Hz noch keine wesentliche Abnutzung (nach 60-maligem Abspielen) festzustellen; erst oberhalb einer Frequenz von 6.000Hz setzen deutliche Abnutzungserscheinungen ein.

Besonders aufschlußreich ist das Verhalten des Kristallsystems bei der Frequenz von 2.000Hz: Die Impedanzmeßkurve laut Bild 3.18 zeigt ein relatives Maximum des Impedanzbetrages wegen einer in diesem Frequenzbereich existierenden Serienresonanz. Aufgrund dieses Maximums kann man auf eine besonders große Rückwirkungskraft schließen.

In Bild 6.4 wird diese Annahme bestätigt, denn bei der Frequenz von 2.000Hz ist tatsächlich ein deutliches Maximum der Abnutzung zu vermerken.
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Vergleicht man schließlich noch einmal ganz allgemein den Abnutzungsgrad bei tiefen und hohen Frequenzen, so wird deutlich, daß die Schallplattenabnutzung weit mehr durch die Massenträgheit der Tonabnehmerimpedanz als durch Federungswiderstand entsteht.

Daraus resultiert die Erkenntnis, daß es für den Tonabnehmerkonstrukteur viel wichtiger ist, ein System mit kleiner Massenträgheit zu konstruieren, als sein Hauptaugenmerk auf die Erzielung einer möglichst weichen Federung zu richten.
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