Tue Mar 14 14:46:10 CET 2023
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AxelFunk
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Dieser Blog soll nicht nur dazu dienen, meine Erfahrungen und Erkenntnisse zu teilen, sondern auch andere dazu inspirieren, die solche Projekte gern mal in Angriff nehmen wollen, aber vielleicht noch nicht so tief im Thema stecken.
Nach meiner Erfahrung hilft es vor allem, ein gemeinsames Verständnis von den Begrifflichkeiten zu haben, daher möchte ich hier mal in möglichst einfachen Worte und sozusagen hemdsärmlig aufschreiben, was ich unter den Begriffen im Car Hifi Kontext verstehe. (Irrtümer vorbehalten)
Membran bezeichnet die meist aus Papier oder Kunststoff bestehende Schicht, die im Lautsprecher in Schwingung versetzt wird und somit die umgebende Luft bewegt und dadurch Schallwellen und Schalldruck entsteht
Antrieb bezeichnet Spule und Magnet im Lautsprecher, die durch entsprechende Bestromung in Schwingung geraten und die Membran bewegen
Treiber bezeichnet den Verbund aus Membran und Antrieb
Lautsprecher Ist das gesamte System aus Treiber und Gehäuse, auch wenn man den Treiber selbst fälschlicherweise auch oft als "Lautsprecher" bezeichnet.
Impedanz Die Impedanz wird in Ohm angegeben und ist eine der charakteristischen und wichtigen Messgrößen an einem Lautsprecher. Sie gibt quasi den elektrischen Widerstand des Lautsprechers an. Dieser sollte bei Lautsprecher Paaren natürlich gleich sein und mit dem angeschlossenen Quellgerät bzw. Verstärker harmonieren. Ist die Impedanz des Lautsprechers zu niedrig für das Quellgerät, neigt der Lautsprecher schnell zum Übersteuern, klingt ggf. unangenehm oder wird gar zerstört. Ist die Impedanz des Lautsprechers zu hoch, wird er ggf. nur sehr leise oder gar nicht spielen. Der ideale Punkt liegt also irgendwo in der Mitte, vereinfacht gesagt je nach Geschmack eher in Richtung Präzision oder Leistung. Die meisten Lautsprecher im Car Hifi aber auch Heimbereich haben 4 Ohm.
akustische Rückkopplung Der Treiber selbst versetzt die ihn umgebende Luft in Schwingung. Wird der Treiber einfach ohne Gehäuse betrieben, kommt es zu einer sog. akustischen Rückkopplung, weil die Luft, die vor dem Treiber verdrängt wird, direkt hinter den Treiber gelangt und damit der Überdruck vor der Membran durch den Unterdruck hinter der Membran sofort wieder ausgeglichen wird. Ziel beim Lautsprecher ist es aber, Schallwellen bzw. Schalldruck vor der Membran gerichtet auszusenden, daher wird der Treiber in ein mehr oder minder "dichtes" Gehäuse gesetzt, so dass es nicht zur akustischen Rückkopplung kommt, sondern der Schalldruck vor der Membran aufgebaut wird und sich in Form von Schallwellen nach vorne ausbreitet.
Phase(ngang) Alle Lautsprecher sollten im gleichen Rhythmus und synchron schwingen. Wird z.b. ein Lautsprecher "verpolt" und + und - Pol vertauscht, schwingt dieser genau entgegengesetzt. Dann gleichen sich z.b. die Schwingungen von linkem und rechtem Kanal schlimmstenfalls aus. Dieser Zustand und jeder Zustand abweichend davon, dass alle Lautsprecher genau gleich schwingen, führt letztlich zu einem schlechteren Klangbild und weniger Leistung, weshalb man immer anstrebt, dass die Lautsprecher exakt in der gleichen Phase arbeiten. Hierauf hat im Übrigen auch die sog. Laufzeit einen Einfluss.
Laufzeit Da die Lautsprecher in unterschiedlicher Entfernung zu den Zuhörern positioniert sind, brauchen die Schallwellen minimal unterschiedliche "Laufzeiten", um zum Ohr der Zuhörer zu gelangen. Im Auto ist dieser Effekt minimal und spielt insbesondere für sehr hochwertige Systeme und oder sehr anspruchsvolle Hörer ein Rolle. Jedoch kann die sogenannte Laufzeitkorrektur, die vor allem in höherwertige Soundsystemen und Nachrüstlösungen mitunter angeboten wird, am Ende aber das Sahnehäubchen sein, was den Klang dann perfekt macht. Hier geht das Dilemma aber schon los: Möchte man die Laufzeit perfekt korrigieren, muss man sich eigentlich dafür einen Fokuspunkt setzen, an dem alle Schallwellen genau gleich und phasenrichtig (siehe Phasengang) ankommen sollen, meist wird dafür der Fahrersitz gewählt, da hier natürlicherweise immer eine Person sitzt. Es gibt aber auch Systeme, die z.B. eine VIP Position anbieten und man kann dann jeweilige Plätze auswählen, auf die die Laufzeitkorrektur optimiert werden soll. Im Zweifel kann man natürlich auch den Mittelpunkt zwischen den Plätzen wählen und einen Kompromiss für alle einstellen, immer noch besser, als ganz ohne Laufzeitkorrektur zu arbeiten - siehe dazu auch Abschnitt "DSP".
Frequenzgang Der Frequenzgang beschreibt so etwas wie die Klang Charakteristik eines oder mehrerer Treiber bzw. Lautsprecher im Einzelnen oder auch als Verbund. Kein Lautsprecher kann den gesamten hörbaren Bereich aller Frequenzen von 20Hz - 20.000Hz perfekt und gleichmäßig wiedergeben. Das führt direkt zum nächsten Thema der "Wegesysteme":
Breitbandlautsprecher Sog. Breitbandlautsprecher versuchen möglichst den gesamten (hörbaren) Frequenzbereich abzudecken, üblicherweise muss man dabei aber starke Kompromisse eingehen. Vor allem in älteren Baujahren sind diese auch oft in der Bauform von ovalen Lautsprechern ausgeführt. Breitbandlautsprecher und ovale Lautsprecher allgemein sind aber nicht mehr wirklich zeitgemäß und führen mittlerweile nur noch ein Nischendasein für spezielle Anwendungszwecke oder Bauräume, oder falls vorhandene ovale Bauplätze ohne größeren Aufwand weiter genutzt werden sollen.
2/3 Wegesysteme Die bessere Variante ist eine Kombination aus mehreren spezialisierten Lautsprechern (üblicherweise 2/3 Wege Systeme), die jeweils ihren Bereich sehr gut abdecken können und in der Kombination mit einem oder 2 weiteren Lautsprechern ein sehr gutes Gesamtbild liefern.
Komponentensysteme Im Auto werden am häufigsten 2 Wege Systeme aus einem Tief-Mitteltöner in der Tür, zwischen 13-20cm Durchmesser und einem Hochtöner im Armaturenbrett oder der A-Säule, in etwa 2-3cm Durchmesser genutzt. Dieses Setup hat sich im Auto bewährt und ermöglicht die bestmögliche Wiedergabe und Hörbarkeit der jeweiligen Frequenzbereiche. Wegen der örtlichen Verteilung dieser Komponenten nennt man solche 2/3 Wegesysteme "Komponentensysteme" oder kurz "Kompo".
Koaxialsysteme Alternativ dazu gibt es noch sog. "Koaxialsysteme", hier sind Tief- und oder Mittel- und oder Hochtöner koaxial also in einer Linie angeordnet und quasi in einem System integriert. Diese bilden eine Art Kompromiss aus nur einem Einbauplatz wie beim Breitbandlautsprecher aber zumindest separaten Treibern für verschiedene Frequenzen wie beim Komposystem. Da hier aber auch klanglich Abstriche gemacht werden müssen, weil das Abstrahlverhalten nicht so ideal wie bei einem Kompo System ist, werden diese üblicherweise gern als Ergänzung z.b. im "Rearfill" genutzt oder wenn der Bauraum / das Budget begrenzt ist.
Subwoofer Ergänzend dazu werden Subwoofer verwendet, um den Bassbereich aufzufüllen und die Tief-Mitteltöner zu entlasten. Diese sind baulich speziell auf die Wiedergabe von tiefen Frequenzen abgestimmt. Dafür wird vor allem ein großes Resonanzvolumen und kräftige Treiber und damit meist deutlich mehr Leistung benötigt. Dessen Einbauplatz ist beinahe vernachlässigbar, naturgemäß ist das natürlich eher bodennah, jedoch setzt sich der Bass üblicherweise so oder so im ganzen Fahrzeug durch. Möchte man den Bass eher zurückhaltend aber doch präsent haben, bieten sich u.a. sog. Untersitz Subwoofer an.
Mitteltöner bei 3 Wege Systemen oder im Rearfill Manchmal werden auch separate Mitteltöner genutzt, auch um die Tief-Mitteltöner zu entlasten und ein 3 Wege System aufzubauen, oder z.b. als Rearfill, um den Mittel/Hochtonbereich im Fahrzeugheck aufzufüllen und etwas mehr Räumlichkeit zu erzeugen. Oftmals werden dafür im Rearfill auch Koaxiallautsprecher genutzt, die den Mittel- Hochtonbereich ergänzen. Denn dieser kann im Heck im Gegensatz zu durchsetzungsstarken Tieftönen gerade in größeren Fahrzeugen durchaus spürbar abnehmen - hier hilft der Rearfill.
Frequenzweiche Setzt man auf sog. Mehrwegesysteme, gibt es hierbei einzelne Lautsprecher die nur bestimmte Frequenzbereiche sauber wiedergeben oder teils auch sogar nur bestimmte Bereiche gute vertragen und andernfalls Schaden nehmen können. Hochtöner z.b. sind ziemlich empfindlich und können kaputt gehen, wenn man sie mit Tieftonsignalen bespielt. Daher braucht man mindestens für die Hochtöner immer eine Frequenzweiche, In den meisten Fällen ist diese auch aus Bauteilschutzgründen direkt vor dem Tieftöner oder im Kabel desselben als eigenes Bauteil ausgeführt. Neben der Ausführung als Bauteil gibt es diese in manchen Soundsystemen auch als Softwarelösung, die Trennung der Signalanteile findet dann z.B. in der Endstufe oder einem DSP statt, dazu mehr in den folgenden Abschnitten.
Hochpass, Tiefpass, Bandpass Letztlich sind die meisten Frequenzweichen einfach ein Hochpass, der nur die hohen Frequenzen passieren lässt. Daneben gibt es auch Tiefpässe oder Bandpässe. Diese lassen wie der Name schon verrät nur tiefe Frequenzen (z.b. für einen Subwoofer) oder bestimmte Frequenzbänder (z.b. für einen Mitteltöner) passieren. Das kann neben dem Schutz der Bauteile auch für ein feiner aufgelöstes Klangbild sorgen. So kann man gewisse Lautsprecher z.B. entlasten und sogenannte Übergangsfrequenzen festlegen. So kann man z.B. sagen, dass der Tieftöner in der Tür runter bis 80Hz oder 60Hz spielen soll aber alle tieferen Frequenzen nur noch der Subwoofer übernehmen soll, um den Tieftöner in der Tür zu entlasten und eine sauberere Wiedergabe der anderen Frequenzen zu ermöglichen. Neben den klassischen Frequenzweichen vor den Hochtönern sind die anderen meist in Software z.b. in einem DSP ausgeführt. Auch Hochpassfilter bzw. Frequenzweichen lassen sich in Software ausführen, hier sollte man jedoch gerade bei der Einrichtung vorsichtig sein, um den Hochtöner bei falscher Einstellung nicht zu beschädigen.
Kanäle Des weiteren kann man bei Soundsystemen verschiedene Kanäle unterscheiden - nicht zu verwechseln mit den Wegen. Die Wege teilen jeden Kanal in verschiedene Frequenzbereiche auf die ggf. auf eigene Lautsprecher pro Frequenzbereich verteilt werden. Jedoch gehören diese dann alle zu einem Kanal. Ein 3 Wege Stereo System besteht also aus 2 Kanälen - nämlich links und rechts, wobei jeder Kanal über 3 Wege, insgesamt also 6 Lautsprecher verfügt.
Dämmung und Entdröhnung Beide werden häufig zusammengeworfen, meinen jedoch nicht das gleiche. Die Dämmung sorgt dafür, gewisse Störgeräusche von aussen aus dem Innenraum fern zu halten und Störgeräusche im Innenraum zu minimieren. Ziel ist es, dass der Klang nicht durch Störeinflüsse verfälscht oder z.b. durch Windgeräusche überdeckt wird und Fahrzeugteile nicht ungewollt mit- und Nachschwingen. Stattdessen sollen die Schwingungen der Lautsprecher möglichst unverfälscht in Schallwellen umgewandelt werden. Zudem soll eine gute Dämmung und Abdichtung des Resonanzraums hinter dem Lautsprechertreiber die sog. akustischen Rückkopplungen minimieren um die Leistung des Lautsprechers zu maximieren. Daher sollten auch die Treiber selbst möglichst steif und fest montiert sein und am besten nicht federnd angebracht sein.
Die Entdröhnung widmet sich insb. den zahlreichen Blechteilen, die vor allem im Tieftonbereich angeregt durch den Türlautsprecher oder einen Subwoofer anfangen mit zu schwingen und nachzuschwingen. Das erzeugt nicht nur weitere Störgeräusche und Resonanzen und verwischt den Klang, sondern schluckt auch Leistung. Für eine saubere, satte und trockene (nachhallfreie) Tiefton bzw. Basswiedergabe sollten dafür insb. die Türen entdröhnt werden durch das Aufbringen möglichst steifer und schwerer Entdröhnmatten. Die bekannteste Variante hiervon sind Alubutylmatten, es gibt aber auch andere gute Alternativen mit entsprechenden Vor- und Nachteilen. Hierbei sollte aber auch mit Augenmaß vorgegangen werden, auch bei der Türdämmung kann man viel falsch machen. Themen wie Crashsicherheit, Korrosion, Wasserablauf, Beweglichkeit der Mechaniken usw. sollten hierbei mit beachtet werden.
Clipping Unter Clipping versteht man den Effekt, wenn man sein Radio immer lauter dreht und der Sound irgendwann verzerrt wird. Manchmal stößt dabei der Lautsprecher selbst an seine physischen Grenzen und verzerrt deshalb. Häufiger sind es aber gerade in den Werksradios eher die schwachen Verstärker bzw. Endstufen, die an ihre Grenzen geraten. An der Leistungsgrenze werden vereinfacht ausgedrückt die Spitzen der Schallpegel hart abgeschnitten und es kommt zu einem harten kantigen und rauen Klang. Das klingt nicht nur unangenehm, sondern ist auf Dauer auch nicht gut für die Lautsprechertreiber, weil diese im normalen Betrieb selbst bei hoher Dynamik nicht solch abrupten Änderungen folgen müssen. Die Folge können sogar zerstörte Treiber sein. Abhilfe kann man hier auf vielen Wegen erreichen:
HiFi Steht für High Fidelity also Hohe Wiedergabetreue und beschreibt quasi das Streben nach dem Idealzustand, eine Aufnahme von einer Quelle exakt so wiederzugeben, wie sie einmal aufgenommen wurde.
Verstärker, Endstufen Um Clipping zu vermeiden, aber vor allem um insgesamt mehr Leistung und höhere Lautstärken mit hoher wiedergabegetreu (HiFi) zu ermöglichen, werden Verstärker bzw. Endstufen benutzt. Hierbei kann man zwischen Vorverstärkern, Vollverstärkern und Endstufen unterscheiden. Der Unterschied besteht hierbei darin, an welcher Stelle sie ansetzen und was deren Zweck ist. Vorverstärker arbeiten die Informationen vom Quellmedium so auf, dass sie weitergeleitet und weiterverarbeitet werden können. Diese übersetzen z.B. die Informationen, die auf einer CD, Speicherkarte oder einem anderen Medium enthalten sind in akustische Signale in einer Qualität, die gut im gleichen Gerät / der gleichen Komponente weiterverarbeitet oder auch an andere Komponenten oder Geräte transportiert und übergeben werden kann. Endstufen nehmen ein vorverstärktes (und ggf. anderweitig aufbereitetes) Signal und heben diesen auf den letztendlich gewünschten Pegel an, sie sind i.d.R. das letzte Glied vor dem Lautsprecher. Die Kombination aus beidem nennt man Vollverstärker, was streng genommen zwar auf die meisten Standardradios zutrifft, allerdings spricht man von Vollverstärkern eigentlich nur bei höhenwertigen Systemen die signifikant mehr Leistung haben. Üblicherweise setzt man in höherpreisigen Fahrzeugen oder im Nachrüst Car Hifi Bereich aber ohnehin auf ein separates Bedienteil, was die Funktion eines Vorverstärkers und teils auch eine einfache Endstufe enthält, die aber zumindest besser als die meisten einfachen Lösungen in Werksradios sind. Aber bei jeglichen höhenwertigen Systemen wird i.a.R. dann eine separate Endstufe zum Einsatz kommen die meist auch an einer anderen Stelle verbaut ist, da unter anderem Wärmeabfuhr hier ein Thema sein kann.
DA /AD Wandler Da viele Quellen heutzutage digitale Informationen enthalten, die am Ende aber in analoge Schallwellen übersetzt werden müssen gibt es sog. DA (Digital-Analog) Wandler, deren Aufgabe die Übersetzung dieser Information ist. Daneben kann es auch manchmal sinnvoll sein, analoge Informationen in digitale zu übersetzen, weil sich diese z.b. digital besser verarbeiten und aufbereiten lassen, dazu später mehr im Abschnitt "DSP" und "High Low Adapter". Diese Aufgaben werden von DA und AD Wandlern übernommen. Da es hierfür nicht nur einen Königsweg gibt, sondern dahinter verschiedene Algorithmen und verschiedene Preisklassen an Komponenten stehen, können diese mitunter einen entscheidenen Einfluss auf den Klang haben.
DSP steht für Digital Signal Processing und meint im Car Hifi Bereich die digitale Aufbereitung eines Audiosignals. Das umfasst diverse Signalanpassungen und das sog. Feintuning, z.b. die Filterung, Glättung, Entzerrung von Signalen, aber auch die Korrektur von Frequenzgängen oder der Laufzeit und des Phasengangs. Insbesondere mit der Anpassung und Korrektur des Frequenzgangs holt man wohl nochmal die größte Steigerung aus seinem verbauten Soundsystem heraus, egal ob Werkssystem oder Nachrüstlösung. Die Frequenzanalyse macht zudem mögliche Schwachstellen und Störfaktoren sichtbar.
Häufig werden DSP auch bereits integriert in Nachrüst Infotainmentsystemen angeboten, mitunter auch in Endstufen oder in Kombination mit High Low Adaptern und AD/DA Wandlern.
High Low Adapter Ein High Low Adapter benötigt man z.b. an, wenn man auf (s)eine originale Bedieneinheit nicht verzichten will oder eine Plug & Play Lösung nutzen will. Viele Verstärker und/oder DSP gerade aus dem Plug & Play Bereich enthalten dafür bereits einen High Low Adapter. Dieser macht vereinfacht gesagt quasi nichts anderes, als den High Pegel aus der kleinen Endstufe des Werksradios zu nehmen und wieder runterzuregeln auf einen Low Pegel, also quasi auf Vorverstärker Niveau. Das klingt erstmal unschlüssig, also warum sollte man das tun?
Viele Nachrüstradios von namhaften Herstellern besitzen neben ihren Lautsprecherausgängen (an denen man direkt die Lautsprecher anschließen kann) auch sogenannte Low Pegel Ausgänge zum Anschluss von Endstufen. Diese Low Pegel Ausgänge stellen zusätzlich den Pegel auf Vorverstärker Niveau bereit. Auf diese Weise kann man die vergleichsweise schwache Endstufe im Nachrüstradio umgehen und einen wesentlich stärkere separate Endstufe mit höherer Leistung anschließen und damit die Lautsprecher auf wesentlich höhere Lautstärken vernünftig und sauber betreiben.
Die meisten Werksradios bieten diese Low Pegel Ausgänge aber nicht separat an. Daher muss man sich anders behelfen und übersetzt den High Pegel Ausgang aus dem Werksradio zurück in einen Low Pegel (Vorverstärker Niveau) und verstärkt ihn dann separat mit einer hochwertigen Endstufe auf einem dementsprechend höheren Niveau. Weiterer Vorteil ist, dass diese Varianten meistens sehr gut als Plug & Play funktionieren, da man sich direkt zwischen originale Bedieneinheit und originale Lautsprecherkabel schaltet und keine Änderungen am Kabelbaum vornehmen muss. Ein Nachteil dabei ist natürlich, dass trotzdem ein gewisser negativer Einfluss durch das Werksradio entstehen kann, da dessen Vorverstärker und Endstufe ja weiterhin in der Wirkkette enthalten sind. Aber auch wenn eine komplette Nachrüstlösung rein klanglich natürlich immer die beste Lösung ist, kann es gute Gründe für so eine Plug & Play Lösung geben und sind auch hiermit erhebliche Steigerungen möglich, gerade gute DSP können hier ordentlich etwas rausholen.
Einmessen Wie schon im Abschnitt "DSP" eingeleitet, wird man das volle Potential eines Soundsystems erst durch Korrekturen und Anpassungen an die Gegebenheiten im Fahrzeug entfalten können. Egal wie hochwertig oder wohl ausgewählt die Komponenten auch sind, in Wechselwirkung untereinander und im Zusammenspiel mit dem Innenraum und der Karosse des Autos kann man wohl von Glück reden, wenn das verbaute Soundsystem auf Anhieb perfekt linear und ausgewogen spielt. Um dies jedoch zu überprüfen und mögliche Ausreißer oder Schwachstellen zu identifizieren, kann man das Auto einmessen. Dabei gibt man ein bestimmtes Signal auf einzelne Lautsprecher bzw. das gesamte Soundsystem und misst mit einem speziellen Mikrofon wie wiedergabetreu dieses wiedergegeben wird. Häufig nimmt man dafür ein sog. "Rosa Rauschen", was nichts anderes ist, als ein Rauschen, was über den gesamten Frequenzgang eine gleichmäßige Verteilung wiedergibt. Wenn das Soundsystem dieses Signal nun mit ungleichmäßiger Verteilung wiedergibt, einige Bereiche des Spektrums vielleicht viel zu stark oder überhöht, andere viel zu schwach oder gar nicht wiedergegeben werden, kann man diese entsprechend absenken oder anheben zumindest in gewissen Grenzen oder gar gewisse Lücken oder Schwachstellen im System identifizieren, die womöglich noch eine Hardwareanpassung erfordern. Mit guten Einmessverfahren und DSP kann man sehr viel erreichen, aber Stroh zu Gold kann man damit auch nicht machen.
Ziel beim Einmessen: Bei der Anpassung versucht man sich gewissen Idealverteilungen zu nähren und eine möglichst flache ausgewogenen Verteilung über alle Bereiche zu erzielen. Dabei sollte man es aber nicht übertreiben, jedes System wird eine gewisse Charakteristik beibehalten, je mehr man daran verstellt, umso künstlicher klingt das ganze im Zweifel dann auch. Hochwertige und gut abgestimmte Komponenten mit einem bereits angenehmen Charakter sind also immer eine gute Basis, damit man am Ende auch nicht mehr zu viel verstellen muss, um dieser idealen Verteilung möglichst nahe zu kommen. Daneben werden hierbei auch mitunter Dinge wie Laufzeitkorrekturen und Filter, sowie Hoch/Tief oder Bandpässe festgelegt, um den Lautsprechern jeweils ihre optimalen Spielbereiche zuzuordnen.
Letztlich will man durch all diese Maßnahmen erreichen, dass die Wiedergabetreue möglichst hoch und die Ausgewogenheit möglichst gleichmäßig ist. Je näher man diesem Ziel kommt, umso wahrscheinlicher ist es, dass jegliche Musik, jegliches Genre oder auch ein Podcast und jegliches weitere Medium auf dem Soundsystem den bestmöglichen zufrieden stellenden aber vor allem auch langwierig ertragbaren Klang erreicht. Naturgemäß hilft Erfahrung und ein gutes Gehör hier weiter, man sollte schon in etwa wissen was man tut, deshalb ist das Einmessen etwas, was man im Zweifel auch gern dem Profi überlassen sollte. Jedoch gibt es auch hierfür diverse Tools und Hilfsmittel und wer es sich zutraut, dem würde ich auch nicht davon abraten, es einfach mal zu versuchen, im besten Fall sollte man sich aber Zwischenstände speichern, um immer wieder eine Rückfalllösung zu haben, wenn man sich mal vollkommen verirrt hat. Ein bisschen Gefühl beim Anpassen und ein gutes Gehör sind auf jeden Fall hilfreich. |
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