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超声波概述

我们知道,当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20,000赫 兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时,我们便听不见了。因此,我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。通常用于医学诊断 的超声波频率为1~5兆赫。超声波具有方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远等特点。可用于测距,测速,清洗,焊接,碎石等。在 医学,军事,工业,农业上有明显的作用.

理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中 传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把 雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.对于咽喉炎.气管炎等疾病,药品很难血流到打患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾 化,让病人吸入,能够疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎.

超声波的产生

声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其 平衡位置附近进行的往返运动。譬如,鼓面经敲击后,它就上下振动,这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播,这便是声波。 超声波是指振动频率大于 20KHz以上的,其每秒的振动次数(频率)甚高,超出了人耳听觉的上限(20000Hz),人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一 致的,它们的共同点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声频率高,波长短,在一定距离内沿直线传 播具有良好的束射性和方向性,目前腹部超声成象所用的频率范围在 2∽5MHz之间,常用为3∽3.5MHz(每秒振动1次为 1Hz,1MHz=10^6Hz,即每秒振动100万次,可闻波的频率在16-20,000HZ 之间)。

超声波 的两个主要参数

超声波的两个主要参数: 频率:F≥20KHz; 功率密度:p=发射功率(W)/发射面积 (cm2);通常p≥0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗,其原理可用“空化”现象来解释:超声波振动在液体中传播的音 波压强达到一个大气压时,其功率密度为0.35w/cm2,这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压,但实际上无负压存在,因此在液体中产生一个很大 的压力,将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空,它在超声波压强反向达到最大时破裂,由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这 种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。 

超声波的作用

玻璃零件.玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事,如果把这些物品放入清洗液中,再通入超 声波,清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢,能够很快清洗干净.

虽然说人类听不出超声波,但不少动物却有 此本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物,或避开危险物。大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔,它们为什么在没有光亮的情况下飞翔 而不会迷失方向呢?原因就是蝙蝠能发出2~10万赫兹的超声波,这好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫,或是障碍物 的。而雷达的质量有几十,几百,几千千克,,而在一些重要性能上的精确度.抗干扰能力等,蝙蝠远优与现代无线电定位器.深入研究动物身上各种器官的功能和 构造,将获得的知识用来改进现有的设备,这是近几十年来发展起来的一门新学科,叫做仿生学.

我们人类直到第一次世界大战才学会利用 超声波,这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态,如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波,然后记录与处理反射回声,从回声 的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年,奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构;以后到了 60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。

医学超声波检查的工作原 理与声纳有一定的相似性,即将超声波发射到人体内,当它在体内遇到界面时会发生反射及折射,并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与 结构是不相同的,因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同,医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线,或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知 识、正常与病理的改变,便可诊断所检查的器官是否有病。

目前,医生们应用的超声诊断方法有不同的形式,可分为A型、B型、M型及D 型四大类。

A型:是以波形来显示组织特征的方法,主要用于测量器官的径线,以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性,如实 质性、液体或是气体是否存在等。

B型:用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时,首先将人体界面的反射信号转变为强弱 不同的光点,这些光点可通过荧光屏显现出来,这种方法直观性好,重复性强,可供前后对比,所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。

M型:是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况,其曲线的动态改变称为超声心动图,可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状 态、结构的状况等,多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。

D型:是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法,又称为多普勒 超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔有否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码 多普勒系统,可在超声心动图解剖标志的指示下,以不同颜色显示血流的方向,色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声 技术不断涌现出来,并且还可以与其他检查仪器结合使用,使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用,随着科学的进步,它将更加完 善,将更好地造福于人类。

研究超声波的产生、传播 、接收,以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型 超声发生器(例如气哨、汽笛和液哨等)、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、

以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁 物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。

超声效应 当超声波在介质中传播时,由于超声波与介质的相互作用,使介质发生物理的和化学 的变化,从而产生

一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应,包括以下4种效应:

①机械效应。超声波的机 械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处,在空间形成 周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时,由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化(见电介质物理学和磁致伸缩)。

②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压,压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和,而从液体逸 出,成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞,称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体,甚至可能是真空。因空化作用形成的 小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压,同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电 荷,并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。

③热效应。由于超声波频率高,能量大,被介 质吸收时能产生显著的热效应。

④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢; 溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸;染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分 解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后,特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收,这表明 空化作用使分子结构发生了改变 。

超声应用 超声效应已广泛用于实际,主要有如下几方面:

①超声检验。超声 波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能透过不透明物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超 声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声波携带了被照部位的信息(如对声波的反射、吸收 和散射的能力),经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成 像技术已在医疗检查方面获得普遍应用,在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查,在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全 息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术,其原理与光波的全息术基本相同,只是记录手段不同而已(见全息术)。用同一超声信 号源激励两个放置在液体中的换能器,它们分别发射两束相干的超声波:一束透过被研究的物体后成为物波,另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形 成声全息图,用激光束照射声全息图,利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像,通常用摄像机和电视机作实时观察。

②超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应,可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学 反应和进行生物学研究等,在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

③基础研究。超声波作用于介质后,在介质中产生声弛豫过 程,声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程,并在宏观上表现出对声波的吸收(见声波)。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构,这方 面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距,在此条件下固体可当作连续介质 。但对频率在1012赫以上的 特超声 波 ,波长可与固体中的原子间距相比拟,此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的 ,称为声子(见固体物理学)。特超声 对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究,以及量子液体——液态氦中声现象 的研究构成了近代声学的新领域——

声波是属于声音的类别之一,属于机械波,声波是指人耳能感受到的一种纵波,其频率范围为 16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波,高于20KHz则称为超声波声波。 

超声波具有 如下特性:

1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 

2) 超声波可 传递很强的能量。 

3) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 

4) 超声波在液体介质中传播时,可 在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 

超声波是声波大家族中的一员。 

声波是物体机械振动状态(或能量)的 传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如,鼓面经敲击后,它就上下振动,这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播,这便是 声波。 

超声波是指振动频率大于20KHz以上的,人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 

超 声波治疗的概念:

超 声治疗学是超声医学的重要组成部分。超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位,以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。 

在全球,超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。 

(一)工 程学方面的应用:水下定位与通讯、地下资源勘查等 

(二)生物学方面的应用:剪切大分子、生物工程及处理种子等 

(三)诊断学方面的应用:A型、B型、M型、D型、双功及彩超等 

(四)治疗学方面的应用:理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科 等 

超声波的特点

1、超声波在传播时,方向性强,能量易于集中。 

2、超声波能在各种不同媒质中传播,且可传播足够远的距离。 

3、超声与传声媒质的相互作用适中,易于携带有关传声媒质状态的信 息(诊断或对传声媒质产生效应。(治疗) 

超声波是一种波动形式,它可以作为探测与负载信息的载体或媒介(如B超等用作诊断);超 声波同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响,改变以致破坏后者的状态,性质及结构(用作治 疗)。 

超声波的发展史

一、国际方面: 

自19世 纪末到20世纪初,在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇 章。 

1922年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 

1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的 文献报道。 

40年代末期超声治疗在欧美兴起,直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论文交 流,为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表,超声治疗进入了实用成熟阶段。 

二、国内方面: 

国内在超声治疗领域起步稍晚,于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作,从1950年首先在北京开始 用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病,至50年代开始逐步推广,并有了国产仪器。公开的文献报道始见于1957年。到了70年代有了各型国产超声 治疗仪,超声疗法普及到全国各大型医院。 

40多年来,全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪 80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当 代医疗技术中占据重要位置。而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。 

超声 波治病机理:

1.机械效应:超声在介质中前进时所产生的效应。(超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应)它可 引起机体若干反应。超声振动可引起组织细胞内物质运动,由于超声的细微按摩,使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用,也称为“内按 摩”这是超声波治疗所独有的特性,可以改变细胞膜的通透性,刺激细胞半透膜的弥散过程,促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态,改善组 织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。使细胞内部结构发生变化,导致细胞的功能变化,使坚硬的结缔组织延伸,松软。 

超声波的 机械作用可软化组织,增强渗透,提高代谢,促进血液循环,刺激神经系统和细胞功能,因此具有超声波独特的治疗意义。 

2.温热效 应:人体组织对超声能量有比较大的吸收本领,因此当超声波在人体组织中传播过程中,其能量不断地被组织吸收而变成热量,其结果是组织的自身温度升高。 

产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。即内生热。超声温热效应可增加血液循环,加速代谢,改善局部组织营养,增强酶活力。一般情况下, 超声波的热作用以骨和结缔组织为显著,脂肪与血液为最少。 

3.理化效应:超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实 践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。TS-C型治疗机通过理化效应继发出下列五大作用: 

A.弥散作用:超声波可以提高 生物膜的通透性,超声波作用后,细胞膜对钾,钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程,促进物质交换,加速代谢,改善组织营养。 

B.触变作用:超声作用下,可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉,肌腱的软化作用,以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌 腱、韧带的退行性病变的治疗。 

C.空化作用:空化形成,或保持稳定的单向振动,或继发膨胀以致崩溃,细胞功能改变,细胞内钙水平 增高。成纤维细胞受激活,蛋白合成增加,血管通透性增加,血管形成加速,胶原张力增加。 

D.聚合作用与解聚作用:水分子聚合是将 多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚,是将大分子的化学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。 

E.消炎,修复细胞和分子:超声作用下,可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量,产生致炎症作用,抑制并起到抗 炎作用。使白细胞移动,促进血管生成。胶原合成及成熟。促进或抑制损伤的修复和愈合过程。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。

量子声学。

超声波还可以进行雷达探测.清洗较为精细的物品,如钟表,可以利用超声波来击碎病人 体内胆结石,还可以利用超声波测距.

超 声波检测还用于电阻焊的焊点强度的检测。

人耳可以听见的波动,其频率约在16Hz到20KHz之间,如 果”波动〃的频率高於此范围,则人类则无法听见,特称之为超音波.所谓”波动〃即为物质中的粒子受外力作用时所产生的机械性振汤.例如将悬挂於弹簧下方的 物体向下拉使弹簧伸长,然后将物体放开,则该物体受弹簧力的作用,产生一上下往复性的振动,其偏离静止位置的移动与时间的关系,即为正弦波. 

超声波依其波传送方向的波动方式可分为纵波,横波,表面波,蓝姆波四种.其在料件中之传送,根据能量不灭定律,音波在一种物质中传送,或由一种物质传入 另一种物质时,由于受到衰减,反射及折射的作用,其能量必然愈来愈弱;但是在材料密度较大的部分,音压却会增大〈但因音阻抗亦变大,能量仍是减少〉,反之 在疏松的部分,其音量变大.

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夜晚的实验 

意大利科学家斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道上散步。他常常看到,很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去,却从不会撞到墙壁上。这个现象引起了他的好奇:蝙蝠凭 什么特殊本领在夜空中自由自在的飞行呢? 

1793年夏天,一个晴朗的夜晚,喧腾热闹的城市渐渐平静下来。帕斯拉捷匆匆吃完饭,便 走出街头,把笼子里的蝙蝠放了出去。当他看到放出去的几只蝙蝠轻盈敏捷地来回飞翔时,不由得尖叫起来。因为那几只蝙蝠,眼睛全被他蒙上了,都是“瞎子” 呀。

斯帕拉捷为什么要把蝙蝠的眼睛蒙起来呢?原来,每当他看到蝙蝠在夜晚自由自在的飞翔时,总认为这些小精灵一定长着一双特别敏锐的 眼睛,就不可能在黑夜中灵巧的多过各种障碍物,并且敏捷的捕捉飞蛾了。然而事实完全出乎他的意料。斯帕拉捷很奇怪:不用眼睛,蝙蝠凭什么来辨别前方的物 体,捕捉灵活的飞蛾呢?

于是,他把蝙蝠的鼻子堵住.结果,蝙蝠在空中还是飞的那么敏捷、轻松。“难道他薄膜似的翅膀,不仅能够飞翔, 而且能在夜间洞察一切吗?”斯帕拉捷这样猜想。他又捉来几只蝙蝠,用油漆涂满它们的全身,然而还是没有影响到它们飞行。 

最后,斯 帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵,把他们放到夜空中。这次,蝙蝠可没有了先前的神气。他们像无头苍蝇一样在空中东碰西撞,很快就跌落在地。 

啊!蝙蝠在夜间飞行,捕捉食物,原来是靠听觉来辨别方向、确认目标的! 

斯帕拉捷的实验,揭开了蝙蝠飞行的秘密,促使很多人进一步 思考:蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜,“听”到没有声音的物体呢? 

后来人们继续研究,终于弄清了其中的奥秘。原来,蝙蝠靠喉咙 发出人耳听不见的“超声波”,这种声音沿着直线传播,一碰到物体就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵接受到这种“超声波”,就能迅速做出判断,灵巧 的自由飞翔,捕捉食物。 

现在,人们利用超声波来为飞机、轮船导航,寻找地下的宝藏。超声波就像一位无声的功臣,广泛地应用于工 业、农业、医疗和军事等领域。斯帕拉捷怎么也不会想到,自己的实验,会给人类带来如此巨大的恩惠。

超声波焊接——

应用超声波可以对热塑性工件使用熔接、铆焊、成形焊或 点焊等多种方法进行焊接。超声波焊接设备既可以独立操作,也可以用于自动化生产环境。那些内置精密电子组件的塑料工件,如微型开关等,就适合使用超声波对 其进行焊接。同时,不止一种方法可能被用来对成品进行加工,如焊接软盘和卡带的内部使用铆焊方式,而对其外部的焊接则使用熔接法

超 声波空泡炼油的化学原理

液体内部产生的强超声波引发出高能量密集式空泡群, 空泡爆炸时, 在微小的空间内瞬间产生高达一千大气压 的压力和上千度的高温。

在高压高温下, 重油分子中C-C键断裂,大分子的碳氢化合物分解为小分子的碳氢化合物; 原料中硫的有机 化物在超声波与空泡作用下,其C-S键发生断裂,转变为中间烯烃、正烷烃、芳烃和硫化氢。生成的烯烃在超声波热解过程中转变为正烷烃和芳烃。

含硫份高的重油大分子转化为低硫小分子的汽油和柴油。少量没有转化或转化程度低的剩余物用于制备高品质沥青

通过上焊件把超声能量 传送到焊区,由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大,因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差,一时还不能及时散发,聚集在焊区,致使两个塑 料的接触面迅速熔化,加上一定压力后,使其融合成一体。当超声波停止作用后,让压力持续,有些许保压时间,使其凝固成型,这样就形成一个坚固的分子链,达 到焊接的目的,焊接强度能接近于原材料本体强度。

超音波的熔焊应用方法

一、 熔接法: 

以超音波超高频率振动的焊头在适度压力下,使二块塑胶的接合面产生摩擦热而瞬间熔融接合,焊接强度可与本体媲美, 采用合适的工件和合理的接口设计,可达到水密及气密,并免除采用辅助品所带来的不便,实现高效清洁的熔接。 

二、 铆焊法: 

将超音波超高频率振动的焊头,压着塑胶品突出的梢头,使其瞬间发热融成为铆钉形状,使不同材质的材料机械铆合在一起。 

三、 埋 植: 

藉着焊头之传道及适当之压力,瞬间将金属零件(如螺母、螺杆等)挤入预留入塑胶孔内,固定在一定深度,完成后无论拉力、扭力 均可媲美传统模具内成型之强度,可免除射出模受损及射出缓慢之缺点。 

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五、 点焊: 

A、 将二片塑胶分点熔接无需预先设计焊线,达到熔接目 的。 

B、 对比较大型工件,不易设计焊线的工件进行分点焊接,而达到熔接效果,可同时点焊多点。 

六、 切割封口: 

运用超音波瞬间发振工作原理,对化纤织物进行切割,其优点切口光洁不开裂、不拉丝。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:10-03-01]
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