Ein Lautsprecher besteht aus einer Vielzahl einzelner Bauteile, die zu verschiedenen Baugruppen oder Komponenten zusammengefügt werden. Als Ganzes wird daraus dann der Lautsprecher gebaut. Im Prinzip hat jedes Bauteil eines Lautsprechers einen Einfluss auf die Klangeigenschaften des Lautsprechers. Dies allerdings in höchst unterschiedlichem Ausmass, wie die nachfolgenden Betrachtungen zeigen werden.
Wir unterscheiden zwischen den primären klangbeeinflussenden Komponenten (Lautsprecher Chassis, Frequenzweichen, Gehäuse) und den sekundären Bauteilen (Anschlüsse, Kabel, etc.).
Treiber
Bei einem Lautsprecher-Chassis (Basslautsprecher, Mitteltöner, aber auch Hochtöner) ist das schallerzeugende Bauteil in jedem Fall die Membrane. Die Membrane hat die Aufgabe, dem eingespeisten Signal möglichst exakt zu folgen und die elektrische Energie in Schallwellen umzuwandeln. Dabei ist es zentral wichtig, dass die Membrane ohne Fehlbewegungen (Taumeln, Verwinden, Aufbrechen, Resonanzen) über den gesamten Frequenzbereich und bei allen Impulsen sowie verschiedenen Schalldrücken kolbenförmig arbeitet. Wenn man sich bewusst ist, dass bereits Bewegungen der Membrane im Tausendstel-Millimeter-Bereich deutlich hörbaren Schall entwickeln, wird einem die Wichtigkeit der exakten Bewegung der Membrane deutlich.
Dies sind natürlich in Summe sehr komplexe Aufgaben. Am schwerwiegendsten ist zudem die Tatsache, dass sich „fehlerhafte“ Bewegungen der Membrane durch nichts kompensieren lassen. Weder eine Entzerrung, noch eine digitale Kompensation, egal in welcher Form auch immer, können die Fehlbewegungen der Membrane kompensieren oder verhindern. Daraus ist offensichtlich, dass bei der Konstruktion von Lautsprechern grösstes Augenmerk auf ein korrektes Arbeiten der Mechanik und der Membranen in allen Betriebszuständen geachtet werden muss. – Dies gestaltet sich umso schwieriger, da die Bewegungen der Membranen extremen Beschleunigungen und Impulsen ausgesetzt sind und zudem dynamische Elemente in Bezug auf Frequenz und Zeit fehlerfrei reproduziert werden müssen.
Das Membranmaterial an sich kann dabei höchst unterschiedlich sein. Je nach Anwendung werden heute Membranen aus Metallen (Aluminium, Beryllium, Titan usw.), Kunststoffen (Polypropylen, Kohlefaser etc.), Verbundwerkstoffen, verschiedenen Keramiken, aber auch immer noch Papier eingesetzt. Eine Kombination von verschiedenen Materialien wird auch häufig genutzt. – Das nun beste Membranmaterial gibt es aber leider nicht. Vielmehr muss der Konstrukteur je nach Anwendung, Abmessung und Zielsetzung die ideale Membrane, deren Materialaufbau und Konstruktion bestimmen.
Wir sehen also, die Membrane und ihr fehlerfreies Arbeiten ist ein zentraler Punkt für eine einwandfreie Musikwiedergabe. Natürlich besteht jeder Treiber (Chassis) noch aus weiteren klangbestimmenden Bauteilen. So werden zum Beispiel über die Elemente der Membranaufhängung (Sicke und Zentrierspinne) und des Antriebssystems (Magnetkonstruktion, Schwingspule mit Schwingspulenträger) die elektrodynamischen Eigenschaften (Thiele/Small-Parameter) eines Treibers bestimmt. Die sogenannten TSP ergeben zusammen mit dem Gehäuse das Übertragungsverhalten des Treibers im eingebauten Zustand.
Sieht einfach aus, ist aber ein komplexes elektro-mech. Bauwerk:
Die im Normalfall unsichtbaren aber sehr wichtigen Bauteile eines LS-Chassis von unten nach oben:
Der große Magnet, die kupferfarbene Schwingspule auf dem schwarzen Spulenkörper, die gelbe Zentrierspinne mit den hochflexiblen Anschlussdrähten und die mit dem Spulenkörper verklebte Membran
Im Mittel- und Hochtonbereich müssen logischerweise sehr viel schnellere Impulse und höhere Frequenzen als im Tieftonbereich verarbeitet werden. Deshalb ist es bei diesen Chassis immer sehr wichtig, dass die bewegten Massen so gering wie irgend möglich gehalten werden können. Die Bändchen-Technologie als Schallwandler bietet sich hier natürlich in idealer Weise an. Die hauchdünnen Aluminiumfolien wiegen nur einen Bruchteil von konventionellen Konus- oder Kalotten-Membranen. Trotzdem arbeiten sie, auf Grund des flächenmässigen Antriebs, in allen Betriebszuständen als reine Kolbenstrahler. Natürlich steigt bei solchen Systemen der Material- und Herstellungsaufwand, dies ist aber durch die einmaligen Qualitäten mehr als gerechtfertigt. Für die Erforschung und Analyse der Membranbewegungen unserer Treiber arbeiten wir mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaft zusammen. Dabei wird ein laserbasiertes Messsystem eingesetzt, welches exakte Analysen unter allen Betriebszuständen erlaubt.
Lautsprecher-Treiber (egal, ob Bass-, Mittel- oder Hochtonlautsprecher) sind in jedem Fall hochkomplexe Gebilde, die den Grundstein für einen qualitativ hochwertigen Lautsprecher bilden.
Der nicht nur bei PIEGA-Fans anerkannte Coax-Strahler
Das Messdiagramm zeigt dem Fachmann den Bildschirmausdruck eines Films vom Schwingungsverhalten der Koax-Hochtonmembrane über die Frequenz
Frequenzweiche
In einem Mehr-Wege-Lautsprecher-System muss das angelegte Signal in jedem Fall auf die verschiedenen Wege (Bass-, Mittel- und Hochtonbereich) aufgeteilt werden. Dazu wird normalerweise eine Frequenzweiche bestehend aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen eingesetzt. Die Frequenzweiche hat die Aufgabe das Signal so aufzuteilen, dass jeder einzelne Treiber den vorgesehenen Arbeitsbereich verarbeiten kann und dass die Summe aus allen Signalen der Zielfunktion entspricht. Frequenzweichen sind ebenfalls sehr komplex, lassen sich heute aber mit den aktuellen Mess- und Simulations-Systemen sehr exakt berechnen.
Eine Frequenzweiche besteht sehr schnell aus zehn, zwanzig oder gar dreissig Bauteilen. Alle diese einzelnen Bauteile müssen exakt berechnet sein, damit der Lautsprecher als Ganzes seine Funktion fehlerfrei erfüllt. Wenn zum Beispiel nur bei einem Bauteil der ideale Wert um 10 % verfehlt wird, hat das bereits deutliche Auswirkungen auf die Klangwiedergabe. Je nach Preisklasse des Lautsprechers werden natürlich auch verschiedene Komponenten bei den Spulen, Kondensatoren und Widerständen eingesetzt. Bei den Kondensatoren sollten wenn immer möglich Folienwickeltypen (MKP, MKT) und in parallelen Zweigen bei höheren Kapazitäten auch bipolare Elkos eingesetzt werden. Kondensatoren lassen sich bei den Verlusten und Toleranzen qualitativ eindeutig bestimmen. Den klanglich „besten“ Kondensator gibt es aber nicht.
Das gleiche gilt im Prinzip für die Spulen (Induktivitäten) einer Frequenzweiche. Die Spule muss die geforderte Induktivität und den gewünschten ohmschen Widerstand aufweisen. Zudem darf die Spule keine Verzerrungen generieren und sollte den geforderten Leistungsbereich, ohne in Sättigung zu geraten, abdecken. Gerade der Widerstand einer Spule wird häufig völlig falsch beurteilt. Es ist nicht so, dass die ideale Spule einen ohmschen Widerstand von 0 haben sollte. Der Widerstand der Spule geht vielmehr als eigenständiges Teil in die Abstimmung von Gehäuse und Treiber als Ganzes ein. Dies lässt sich heute sehr exakt berechnen und im Simulations-System optimieren. Wir sehen also, die Frequenzweiche ist klangbestimmend, wobei die einzelnen Bauteile nicht überbewertet werden sollten.
Eine ganze Armada Frequenzweichen für den MLS2
Das Diagramm zeigt die Filterausgangsspannung eines PIEGA-3-Wegers. Hier kann also die Wirkweise der "reinen" Frequenzweiche gedeutet werden und es zeigt sich, dass eigentlich nichts an Fehlern seitens der Chassis oder durch Gehäuseeinflüsse kompensiert werden muss.
Gehäuse
Da bei einem HiFi-Lautsprecher nur die Membranen Schall abstrahlen sollten, muss der Qualität des Gehäuses grosses Augenmerk geschenkt werden. Natürlich soll das Gehäuse in seinen Abmessungen und dem Volumen den berechneten Vorgaben entsprechen. Darüber hinaus darf sich das ideale Lautsprechergehäuse auf keinen Fall verwinden, in Teilbereichen mitschwingen oder sonst wie auch immer verformen, respektive bewegen. Im Idealfall bildet das Lautsprechergehäuse den berühmten Fels in der Brandung, der damit das Fundament für ausgezeichneten Klang legt. Sobald ein Lautsprecher-Gehäuse spürbar vibriert, strahlt es auch Schall ab. Dieser abgestrahlte Schall überlagert sich mit dem von den Membranen abgestrahlten Schall und führt zu Pegelschwankungen und Auslöschungen. Erschwerend kommt hinzu, dass schwingende Gehäuseteile wegen ihrer Masse zudem noch über eine geraume Zeit nachschwingen, auch wenn der anregende Impuls bereits vorbei ist. Dies führt zu Verwischungs-Effekten sowohl im Frequenzgang als auch im Impulsverhalten.
Aus diesen Gründen sollte das perfekte Lautsprechergehäuse extrem steif sein und eine hohe Dämpfung des Gehäusematerials haben. Um dies zu erreichen, sind natürlich verschiedene Wege möglich. In jedem Fall muss das Gehäusematerial eine hohe Steife aufweisen. Aluminium ist in dieser Hinsicht ein fast idealer Werkstoff. Bei einem Bruchteil der benötigten Wandstärke verglichen mit z. B. MDF, lassen sich so Gehäuse konstruieren, die zusammen mit eingesetzten Versteifungen und dem richtigen Dämpfungsmatetrial, ein nahezu fehlerfreies Verhalten erfüllen. Zudem lässt sich mit der Technologie des Strangpressens praktisch jede vorstellbare und akustisch ideale Formgebung umsetzen. Aluminium als Gehäusewerkstoff ist somit ideal, um Gehäuse ohne „Eigenklang“ herzustellen.
Im Bild ist sehr schön EINER der Vorteile durch den Gehäusewerkstoff Aluminium zu erkennen. Durch die Festigkeit des Materials können die Wandstärken verhältnismäßig dünn ausfallen. Dadurch liegt ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Brutto- und Nettovolumen vor. Sehr gut zu erkennen ist das sog. TIM-Modul. Das ist eine "Spannvorrichtung", die mit einem definierten Drehmoment angezogen wird und so die Gehäusewände vorspannt, um klangverschlechternde Resonanzen zu minimieren.
Die Modelle Coax 311, Coax 511 und Coax 711 verfügen über die TIM-Module, sie unterscheiden sich nur in Größe und Anzahl der Module.
Peripherie
Die peripheren Bauteile (Innenverkabelung, Anschlussklemmen, verstellbare Standfüsse etc.) sind eigentlich unproblematisch und einfach zu bestimmen. Dabei müssen lediglich die elektrischen Eigenschaften und die Langzeitbeständigkeit (z. B. Oxidation bei Kontakten) berücksichtigt werden. Je nach Beschaffenheit des Fussbodens hat man, z. B. mit Spikes oder schraubbaren Dämpfungselementen, weitere, wenn auch geringe, Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Übertragungseigenschaften des HiFi-Lautsprechers.
Für die Fans der Feinmechanik: Das Anschlussterminal des MLS mit den bekannten 4-mm-Bananenbuchsen und dem LEMO-Anschluss zur Verbindung Bass -> Mittel-Hochton
Eine Fräsarbeit der Extraklasse ist die (optionale) LTD-Bodenplatte
Vielen, vielen Dank an Kurt für die tolle Zusammenfassung.
An der Stelle noch mein Hinweis auf einige Betrachtungen zum LS, z. B. zum Membranmaterial - zu finden über die FAQ
Wir unterscheiden zwischen den primären klangbeeinflussenden Komponenten (Lautsprecher Chassis, Frequenzweichen, Gehäuse) und den sekundären Bauteilen (Anschlüsse, Kabel, etc.).
Treiber
Bei einem Lautsprecher-Chassis (Basslautsprecher, Mitteltöner, aber auch Hochtöner) ist das schallerzeugende Bauteil in jedem Fall die Membrane. Die Membrane hat die Aufgabe, dem eingespeisten Signal möglichst exakt zu folgen und die elektrische Energie in Schallwellen umzuwandeln. Dabei ist es zentral wichtig, dass die Membrane ohne Fehlbewegungen (Taumeln, Verwinden, Aufbrechen, Resonanzen) über den gesamten Frequenzbereich und bei allen Impulsen sowie verschiedenen Schalldrücken kolbenförmig arbeitet. Wenn man sich bewusst ist, dass bereits Bewegungen der Membrane im Tausendstel-Millimeter-Bereich deutlich hörbaren Schall entwickeln, wird einem die Wichtigkeit der exakten Bewegung der Membrane deutlich.
Dies sind natürlich in Summe sehr komplexe Aufgaben. Am schwerwiegendsten ist zudem die Tatsache, dass sich „fehlerhafte“ Bewegungen der Membrane durch nichts kompensieren lassen. Weder eine Entzerrung, noch eine digitale Kompensation, egal in welcher Form auch immer, können die Fehlbewegungen der Membrane kompensieren oder verhindern. Daraus ist offensichtlich, dass bei der Konstruktion von Lautsprechern grösstes Augenmerk auf ein korrektes Arbeiten der Mechanik und der Membranen in allen Betriebszuständen geachtet werden muss. – Dies gestaltet sich umso schwieriger, da die Bewegungen der Membranen extremen Beschleunigungen und Impulsen ausgesetzt sind und zudem dynamische Elemente in Bezug auf Frequenz und Zeit fehlerfrei reproduziert werden müssen.
Das Membranmaterial an sich kann dabei höchst unterschiedlich sein. Je nach Anwendung werden heute Membranen aus Metallen (Aluminium, Beryllium, Titan usw.), Kunststoffen (Polypropylen, Kohlefaser etc.), Verbundwerkstoffen, verschiedenen Keramiken, aber auch immer noch Papier eingesetzt. Eine Kombination von verschiedenen Materialien wird auch häufig genutzt. – Das nun beste Membranmaterial gibt es aber leider nicht. Vielmehr muss der Konstrukteur je nach Anwendung, Abmessung und Zielsetzung die ideale Membrane, deren Materialaufbau und Konstruktion bestimmen.
Wir sehen also, die Membrane und ihr fehlerfreies Arbeiten ist ein zentraler Punkt für eine einwandfreie Musikwiedergabe. Natürlich besteht jeder Treiber (Chassis) noch aus weiteren klangbestimmenden Bauteilen. So werden zum Beispiel über die Elemente der Membranaufhängung (Sicke und Zentrierspinne) und des Antriebssystems (Magnetkonstruktion, Schwingspule mit Schwingspulenträger) die elektrodynamischen Eigenschaften (Thiele/Small-Parameter) eines Treibers bestimmt. Die sogenannten TSP ergeben zusammen mit dem Gehäuse das Übertragungsverhalten des Treibers im eingebauten Zustand.
Sieht einfach aus, ist aber ein komplexes elektro-mech. Bauwerk:
Die im Normalfall unsichtbaren aber sehr wichtigen Bauteile eines LS-Chassis von unten nach oben:
Der große Magnet, die kupferfarbene Schwingspule auf dem schwarzen Spulenkörper, die gelbe Zentrierspinne mit den hochflexiblen Anschlussdrähten und die mit dem Spulenkörper verklebte Membran
Im Mittel- und Hochtonbereich müssen logischerweise sehr viel schnellere Impulse und höhere Frequenzen als im Tieftonbereich verarbeitet werden. Deshalb ist es bei diesen Chassis immer sehr wichtig, dass die bewegten Massen so gering wie irgend möglich gehalten werden können. Die Bändchen-Technologie als Schallwandler bietet sich hier natürlich in idealer Weise an. Die hauchdünnen Aluminiumfolien wiegen nur einen Bruchteil von konventionellen Konus- oder Kalotten-Membranen. Trotzdem arbeiten sie, auf Grund des flächenmässigen Antriebs, in allen Betriebszuständen als reine Kolbenstrahler. Natürlich steigt bei solchen Systemen der Material- und Herstellungsaufwand, dies ist aber durch die einmaligen Qualitäten mehr als gerechtfertigt. Für die Erforschung und Analyse der Membranbewegungen unserer Treiber arbeiten wir mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaft zusammen. Dabei wird ein laserbasiertes Messsystem eingesetzt, welches exakte Analysen unter allen Betriebszuständen erlaubt.
Lautsprecher-Treiber (egal, ob Bass-, Mittel- oder Hochtonlautsprecher) sind in jedem Fall hochkomplexe Gebilde, die den Grundstein für einen qualitativ hochwertigen Lautsprecher bilden.
Der nicht nur bei PIEGA-Fans anerkannte Coax-Strahler
Das Messdiagramm zeigt dem Fachmann den Bildschirmausdruck eines Films vom Schwingungsverhalten der Koax-Hochtonmembrane über die Frequenz
Frequenzweiche
In einem Mehr-Wege-Lautsprecher-System muss das angelegte Signal in jedem Fall auf die verschiedenen Wege (Bass-, Mittel- und Hochtonbereich) aufgeteilt werden. Dazu wird normalerweise eine Frequenzweiche bestehend aus Spulen, Kondensatoren und Widerständen eingesetzt. Die Frequenzweiche hat die Aufgabe das Signal so aufzuteilen, dass jeder einzelne Treiber den vorgesehenen Arbeitsbereich verarbeiten kann und dass die Summe aus allen Signalen der Zielfunktion entspricht. Frequenzweichen sind ebenfalls sehr komplex, lassen sich heute aber mit den aktuellen Mess- und Simulations-Systemen sehr exakt berechnen.
Eine Frequenzweiche besteht sehr schnell aus zehn, zwanzig oder gar dreissig Bauteilen. Alle diese einzelnen Bauteile müssen exakt berechnet sein, damit der Lautsprecher als Ganzes seine Funktion fehlerfrei erfüllt. Wenn zum Beispiel nur bei einem Bauteil der ideale Wert um 10 % verfehlt wird, hat das bereits deutliche Auswirkungen auf die Klangwiedergabe. Je nach Preisklasse des Lautsprechers werden natürlich auch verschiedene Komponenten bei den Spulen, Kondensatoren und Widerständen eingesetzt. Bei den Kondensatoren sollten wenn immer möglich Folienwickeltypen (MKP, MKT) und in parallelen Zweigen bei höheren Kapazitäten auch bipolare Elkos eingesetzt werden. Kondensatoren lassen sich bei den Verlusten und Toleranzen qualitativ eindeutig bestimmen. Den klanglich „besten“ Kondensator gibt es aber nicht.
Das gleiche gilt im Prinzip für die Spulen (Induktivitäten) einer Frequenzweiche. Die Spule muss die geforderte Induktivität und den gewünschten ohmschen Widerstand aufweisen. Zudem darf die Spule keine Verzerrungen generieren und sollte den geforderten Leistungsbereich, ohne in Sättigung zu geraten, abdecken. Gerade der Widerstand einer Spule wird häufig völlig falsch beurteilt. Es ist nicht so, dass die ideale Spule einen ohmschen Widerstand von 0 haben sollte. Der Widerstand der Spule geht vielmehr als eigenständiges Teil in die Abstimmung von Gehäuse und Treiber als Ganzes ein. Dies lässt sich heute sehr exakt berechnen und im Simulations-System optimieren. Wir sehen also, die Frequenzweiche ist klangbestimmend, wobei die einzelnen Bauteile nicht überbewertet werden sollten.
Eine ganze Armada Frequenzweichen für den MLS2
Das Diagramm zeigt die Filterausgangsspannung eines PIEGA-3-Wegers. Hier kann also die Wirkweise der "reinen" Frequenzweiche gedeutet werden und es zeigt sich, dass eigentlich nichts an Fehlern seitens der Chassis oder durch Gehäuseeinflüsse kompensiert werden muss.
Gehäuse
Da bei einem HiFi-Lautsprecher nur die Membranen Schall abstrahlen sollten, muss der Qualität des Gehäuses grosses Augenmerk geschenkt werden. Natürlich soll das Gehäuse in seinen Abmessungen und dem Volumen den berechneten Vorgaben entsprechen. Darüber hinaus darf sich das ideale Lautsprechergehäuse auf keinen Fall verwinden, in Teilbereichen mitschwingen oder sonst wie auch immer verformen, respektive bewegen. Im Idealfall bildet das Lautsprechergehäuse den berühmten Fels in der Brandung, der damit das Fundament für ausgezeichneten Klang legt. Sobald ein Lautsprecher-Gehäuse spürbar vibriert, strahlt es auch Schall ab. Dieser abgestrahlte Schall überlagert sich mit dem von den Membranen abgestrahlten Schall und führt zu Pegelschwankungen und Auslöschungen. Erschwerend kommt hinzu, dass schwingende Gehäuseteile wegen ihrer Masse zudem noch über eine geraume Zeit nachschwingen, auch wenn der anregende Impuls bereits vorbei ist. Dies führt zu Verwischungs-Effekten sowohl im Frequenzgang als auch im Impulsverhalten.
Aus diesen Gründen sollte das perfekte Lautsprechergehäuse extrem steif sein und eine hohe Dämpfung des Gehäusematerials haben. Um dies zu erreichen, sind natürlich verschiedene Wege möglich. In jedem Fall muss das Gehäusematerial eine hohe Steife aufweisen. Aluminium ist in dieser Hinsicht ein fast idealer Werkstoff. Bei einem Bruchteil der benötigten Wandstärke verglichen mit z. B. MDF, lassen sich so Gehäuse konstruieren, die zusammen mit eingesetzten Versteifungen und dem richtigen Dämpfungsmatetrial, ein nahezu fehlerfreies Verhalten erfüllen. Zudem lässt sich mit der Technologie des Strangpressens praktisch jede vorstellbare und akustisch ideale Formgebung umsetzen. Aluminium als Gehäusewerkstoff ist somit ideal, um Gehäuse ohne „Eigenklang“ herzustellen.
Im Bild ist sehr schön EINER der Vorteile durch den Gehäusewerkstoff Aluminium zu erkennen. Durch die Festigkeit des Materials können die Wandstärken verhältnismäßig dünn ausfallen. Dadurch liegt ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Brutto- und Nettovolumen vor. Sehr gut zu erkennen ist das sog. TIM-Modul. Das ist eine "Spannvorrichtung", die mit einem definierten Drehmoment angezogen wird und so die Gehäusewände vorspannt, um klangverschlechternde Resonanzen zu minimieren.
Die Modelle Coax 311, Coax 511 und Coax 711 verfügen über die TIM-Module, sie unterscheiden sich nur in Größe und Anzahl der Module.
Peripherie
Die peripheren Bauteile (Innenverkabelung, Anschlussklemmen, verstellbare Standfüsse etc.) sind eigentlich unproblematisch und einfach zu bestimmen. Dabei müssen lediglich die elektrischen Eigenschaften und die Langzeitbeständigkeit (z. B. Oxidation bei Kontakten) berücksichtigt werden. Je nach Beschaffenheit des Fussbodens hat man, z. B. mit Spikes oder schraubbaren Dämpfungselementen, weitere, wenn auch geringe, Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Übertragungseigenschaften des HiFi-Lautsprechers.
Für die Fans der Feinmechanik: Das Anschlussterminal des MLS mit den bekannten 4-mm-Bananenbuchsen und dem LEMO-Anschluss zur Verbindung Bass -> Mittel-Hochton
Eine Fräsarbeit der Extraklasse ist die (optionale) LTD-Bodenplatte
Vielen, vielen Dank an Kurt für die tolle Zusammenfassung.
An der Stelle noch mein Hinweis auf einige Betrachtungen zum LS, z. B. zum Membranmaterial - zu finden über die FAQ
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