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文檔簡介

1、文檔編碼 : CQ2J5L6H7T10 HB1S2X9U3R8 ZK3Q6P2C4B7超聲波的基本學(xué)問 1 超聲波基本原理 1.1 振動(dòng)與波動(dòng) 機(jī)械振動(dòng):物體在平穩(wěn)位置鄰近往復(fù)運(yùn)動(dòng);質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng);鐘擺的搖擺;水上浮標(biāo)的浮動(dòng);擔(dān)物行走時(shí)扁擔(dān)的跳動(dòng);在微風(fēng) 中樹梢的搖擺;振動(dòng)的音叉、鑼、鼓、琴弦等都是機(jī)械振動(dòng);質(zhì)量彈簧體系受力分析:虎克定律 F=-k .x 1.受力方向指向平穩(wěn)位置2. 受力大小與質(zhì)點(diǎn)偏離平穩(wěn)位置的距離成正比單擺體系受力分析1 / 16 機(jī)械振動(dòng)的三個(gè)特點(diǎn):物體,平穩(wěn)位置,回復(fù)力1. 物體:宏觀的物體或細(xì)觀的質(zhì)點(diǎn) 2. 平穩(wěn)位置:通常是運(yùn)動(dòng)過程的中心(靜止)位置 3. 回復(fù)力

2、:偏離平穩(wěn)位置后,受到指向平穩(wěn)位置的力確定性振動(dòng): 可以用確定性的函數(shù)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 最為簡潔的是簡諧振動(dòng) 有限個(gè)簡諧振動(dòng)的疊加 無限個(gè)簡諧振動(dòng)的疊加 隨機(jī)振動(dòng): 不能預(yù)先確定的振動(dòng);無法用確定性函數(shù)描述 須用概率統(tǒng)計(jì)方法定量描述 運(yùn)動(dòng)隨機(jī),概率統(tǒng)計(jì)參量穩(wěn)固 平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng):非平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng):運(yùn)動(dòng)隨機(jī),概率統(tǒng)計(jì)參量不穩(wěn)固 產(chǎn)憤怒械振動(dòng)的根本緣由:1. 偏離平穩(wěn)位置 2. 有與偏離平穩(wěn)位置位移相關(guān)的回復(fù)力:指向平穩(wěn)位置的力,使物體回到平穩(wěn)位置振動(dòng)能夠連續(xù)的緣由:1. 物體偏離平穩(wěn)位置對應(yīng)克服回復(fù)力時(shí)集聚的勢能2. 物體在回復(fù)力的作用下勢能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換 在回復(fù)力的作用下,物體回到平穩(wěn)位置時(shí),回復(fù)力減小

3、到零,勢能完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,此 時(shí)慣性使其偏離到平穩(wěn)位置的另一邊,克服新產(chǎn)生的回復(fù)力,直至達(dá)到最大偏離位置,動(dòng)能 完全轉(zhuǎn)化為勢能;循環(huán)往復(fù);質(zhì)點(diǎn)(細(xì)觀)振動(dòng) 細(xì)觀意義上,構(gòu)成物體的各個(gè)部分構(gòu)成相互作用體系,通常相互之間處于虎克定律意義下的平穩(wěn)狀態(tài),物體某一部分假如相對于其他部分的發(fā)生位移,將導(dǎo)致其他部分對其產(chǎn)生“ 回復(fù)力”,促其回到其平穩(wěn)位置,產(chǎn)生振動(dòng);2 / 16 質(zhì)點(diǎn)(細(xì)觀)振動(dòng)時(shí)質(zhì)點(diǎn)的相互作用1. 前述的質(zhì)量彈簧體系和單擺體系都有一個(gè)固定的支點(diǎn),剛度無窮大,物體的運(yùn)動(dòng)對 支點(diǎn)無影響;2. 質(zhì)點(diǎn)體系相互之間是等價(jià)的,此時(shí)自然會(huì)引出一個(gè)問題,一個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)對其他質(zhì)點(diǎn)有什么影響呢?. 關(guān)注點(diǎn)在一

4、個(gè)質(zhì)點(diǎn)時(shí),看到的是質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng);. 關(guān)注點(diǎn)在質(zhì)點(diǎn)間的相互作用時(shí),看到的是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)態(tài)傳播到其他質(zhì)點(diǎn)的過程;波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)在空間的傳播過程 機(jī)械波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)在介質(zhì)中的傳播過程;如:水波、聲波、超聲波、地震波等;電磁波:電場和磁場的交變振蕩在空間的轉(zhuǎn)播過程;如:無線電波、雷達(dá)波等;質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)傳播:質(zhì)點(diǎn)位置:位移波 質(zhì)點(diǎn)速度:速度波 質(zhì)點(diǎn)間作用力:應(yīng)力波機(jī)械波的產(chǎn)生:機(jī)械振動(dòng)的波源與傳播介質(zhì);上可以看到一圈圈向外擴(kuò)展的水波;機(jī)械波傳播機(jī)理例如:把石子投入寂靜的水中,在水面(1). 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的相互作用:任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)與其鄰近質(zhì)點(diǎn)間存在著相互作用的力;(2). 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的平穩(wěn)位置:質(zhì)點(diǎn)間相互處于平

5、穩(wěn)狀態(tài)時(shí)質(zhì)點(diǎn)所處的位置;某質(zhì)點(diǎn)偏離平穩(wěn)位置 與相鄰質(zhì)點(diǎn)的間距發(fā)生變化 鄰近質(zhì)點(diǎn)受到作用力而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) 這個(gè)過程由近及遠(yuǎn)向各個(gè)方向以確定速度傳播出去;振動(dòng)與波動(dòng)概念的聯(lián)系和區(qū)分 振動(dòng):質(zhì)點(diǎn)的往復(fù)性機(jī)械運(yùn)動(dòng),具周期性和連續(xù)性;波動(dòng):不同質(zhì)點(diǎn)間機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳播過程;(1). 波動(dòng)是振動(dòng)狀態(tài)的傳播過程,振動(dòng)是波動(dòng)的根源;(2). 波動(dòng)的物理實(shí)質(zhì)是能量狀態(tài)的一種傳遞形式;聲波是彈性介質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波;低應(yīng)變檢測中的振動(dòng)與波動(dòng)錘擊樁頭,傳感器得到右示“ 波形”; 說明:tl 時(shí)刻為來自樁底的反射波;低應(yīng)變檢測中的振動(dòng)與波動(dòng)3 / 16 1. 從樁頭到樁底, 依次均布傳感器 X0、X6; 2. 0 時(shí)刻

6、錘擊樁頭, 傳感器 X0 、X6 分別測得時(shí)間軸 T0 、T6 對應(yīng)的時(shí)程曲線;3. 下圖反應(yīng)不同時(shí)刻基樁壓縮狀態(tài)的傳播過程,對應(yīng)的是不同時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的形狀:波形;時(shí)程曲線:質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),振動(dòng)概念,位置固定,時(shí)間宏觀 波形:整體形狀,波動(dòng)概念,時(shí)間固定,物體宏觀1. 檢測中測得的時(shí)程曲線,本質(zhì)上是傳感器所在位置的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài);以傳感器 X0為例,對應(yīng)的時(shí)程曲線為 T0,0 時(shí)刻激振后質(zhì)點(diǎn)趨于靜止,12 時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)又開頭運(yùn)動(dòng),確定是某處振動(dòng)狀態(tài)以波動(dòng)的方式傳回到了樁頭;2. 測試中只能得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)(運(yùn)動(dòng))狀態(tài),波動(dòng)是通過質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)(運(yùn)動(dòng))狀態(tài)的變化反推出來的;基本參數(shù):周期T,質(zhì)點(diǎn)速度V,波長 ,波速C

7、 1.2 波動(dòng)的特性 反射波、透射波,折射現(xiàn)象:當(dāng)波傳播到兩種介質(zhì)的分界面時(shí),一部分從界面返回而形成反射波;一部分進(jìn)入到另一種介質(zhì)而形成透射波;當(dāng)波由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),透射波的傳播方向發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為折射現(xiàn)象;斯涅耳定律入射角與反射角和折射角關(guān)系sin 1/c1 =sin 2/c2 偏轉(zhuǎn)角與波速比為常數(shù)低速介質(zhì)向高速介質(zhì)入射時(shí)有全反射現(xiàn)象全反射臨界角: sin 1= c1/c2 4 / 16 波的疊加特性:當(dāng)兩列波在傳播過程中相遇時(shí),該點(diǎn)所引起的振動(dòng)位移的矢量和;在相遇區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的振動(dòng)位移為兩列波單獨(dú)存在時(shí)在波的疊加特性使得兩列波在通過相遇區(qū)域后,仍然保持他們各自的特性(頻率、波長

8、、振幅、振動(dòng)方向等)不變,并依據(jù)原先方向連續(xù)前進(jìn);波的干涉現(xiàn)象: (同頻率波的疊加)當(dāng)兩列頻率相同的波相遇時(shí),在相遇區(qū)域內(nèi), 部分區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng),部分區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)減弱,且加強(qiáng)區(qū)域與減弱區(qū)域相互間隔而形成固定的分布,這種現(xiàn)象稱為波的干涉;波的衍射現(xiàn)象: (也稱繞射)波在傳播過程中,遇到尺度接近或小于其波長的障礙物,繞過障礙物, 偏離原先直線傳 播方向,假如通過一個(gè)大小近于波長的孔,就以孔為中心,形成環(huán)形波向前傳播,的現(xiàn)象稱 為波的衍射;5 / 16 波的散射現(xiàn)象:射;當(dāng)波在傳播過程中遇到尺度大于波長的不規(guī)章障礙物時(shí),向四周反射的現(xiàn)象稱為波的散波陣面,波前的概念:在波的傳播過程中,振動(dòng)相位相

9、同的點(diǎn)連成的曲面稱為波陣面(也稱為同相面);波在介質(zhì)中傳播時(shí), 某時(shí)刻所到達(dá)的各點(diǎn)組成的曲面稱為波前;波前是特定時(shí)刻傳播得最遠(yuǎn)的波 陣面;組成波前的各點(diǎn)正處于即將振動(dòng)和尚未振動(dòng)的臨界狀態(tài),這些點(diǎn)的振動(dòng)狀 態(tài)相同,相位為零;惠更斯 Huygens原理波陣面上的每一點(diǎn)(面源)都是一個(gè)次級子振源,子波的波速與頻率不變,此后每一時(shí)刻的子波波陣面包絡(luò)就是該時(shí)刻總的波陣面;惠更斯原理基于疊加理論,是對衍射現(xiàn)象的形象化說明,常用于積分疊加分析和運(yùn)算;折射現(xiàn)象的惠更斯 Huygens說明衍射現(xiàn)象的惠更斯 Huygens說明1. 平行波振面上的點(diǎn)都可以看做次級振源2. 中意AB .sin =n的方向相互加強(qiáng)3.

10、 中意AB .sin =( n+0.5)的方向相互抵消6 / 16 障礙物引起的各種波動(dòng)現(xiàn)象:當(dāng)障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于波長時(shí),有反射、折射;當(dāng)障礙物的尺寸與波長相近時(shí),有繞射,散射;當(dāng)障礙物的尺寸比波長仍小時(shí),能量大部分將繞過障礙物,少部分散射;假如障礙物為剛體,就將形成一個(gè)新波源將聲波能 量向四周散射,混凝土中的粗骨料就可看作是聲波散射源;能量被介質(zhì)吸取耗散而減弱的現(xiàn)象稱為波的衰減;波的衰減現(xiàn)象:波在介質(zhì)中傳播時(shí),衰減機(jī)理:(1)擴(kuò)散衰減:波向四周傳播,單位面積能量通量減?。?)吸取衰減:頻率越高質(zhì)點(diǎn)速度越大,就介質(zhì)粘滯性造成的內(nèi)摩擦越嚴(yán)肅,能量耗損越大(3)散射衰減:頻率越高波長越小,就障礙物

11、導(dǎo)致的反射與散射越嚴(yán)肅,能量耗損越大;1.3 波動(dòng)的類型 依據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向的相對關(guān)系,可劃分三種類型的波:縱波( P 波):質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向平行于波的傳播方向 傳播機(jī)制:質(zhì)點(diǎn)間的壓力與拉力 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向垂直于波的傳播方向 橫波( S 波):傳播機(jī)制:質(zhì)點(diǎn)間的剪切力 表面波( R 波):介質(zhì)表層質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng) 傳播機(jī)制:質(zhì)點(diǎn)間的表面張力與剪切力 目前超聲脈沖技術(shù)中廣泛應(yīng)用 縱波:質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向平行于波的傳播方向;的是縱波;如:綜合法測強(qiáng)、測缺(不密實(shí)區(qū)、裂縫深度、結(jié)合面質(zhì)量、勻質(zhì)性、損耗層厚 度等)、基樁聲波透射法完整性檢測,巖土工程單孔或跨孔縱波波速測試等;橫波:質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向垂直于波的

12、傳播方向;目前超聲脈沖技術(shù)中在 巖土工程及需要測試介質(zhì)結(jié)構(gòu)、聲學(xué)參數(shù)中應(yīng)用橫波,應(yīng)用面較縱波??;如:巖體石塊(芯 樣)的力學(xué)參數(shù)測試,巖石、土層單孔橫波波速測試(仍為較為困難的課題);動(dòng);表面波: 當(dāng)固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力作用時(shí),質(zhì)點(diǎn)作相應(yīng)的縱橫向復(fù)合振7 / 16 不同類型的波對傳播介質(zhì)的物理?xiàng)l件要求:縱波:固體, 液體, 氣體 橫波:固體 表面波:固體表面波型轉(zhuǎn)換:斯涅耳定律照舊成立 非垂直入射到介質(zhì)分界面的入射波,不僅產(chǎn)生于入射波類型相同的反射波和折射波,仍會(huì)產(chǎn)生于入射波不同類型的反射波和折射波;轉(zhuǎn)換類型與介質(zhì)有關(guān);1.4 聲波與超聲波聲波:狹義上,聲波是指人耳能夠感受到的空

13、氣中傳播的機(jī)械波,廣義上,聲波泛指介質(zhì)中傳播的機(jī)械波;聲波按頻率范疇劃分表:用于混凝土聲波透射法檢測的聲波頻率范疇一般為 2 超聲波基本參數(shù) 2.1 超聲波的基本物理量 超聲波的五個(gè)基本物理量:20KHz 200KHz 周期 T : 質(zhì)點(diǎn)完成一次完整的振動(dòng)所需的時(shí)間;頻率 f :單位時(shí)間內(nèi)完成質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的次數(shù);聲速 C : 聲波在介質(zhì)中的傳播速度;波長 :一個(gè)周期內(nèi)聲波在介質(zhì)中的傳播距離;聲幅 A :質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的最大值(通常為聲壓的最大值)基本物理量之間的關(guān)系:T=1 / f =C T=C / f 周期 T、頻率 f、聲速 C、波長當(dāng)混凝土的聲速確定(被測介質(zhì)不變)時(shí),聲波的 波長與頻率(換能器的

14、諧振頻率)成反比;算例:已知混凝土中聲波頻率f 為 40k Hz ,聲波傳播速度c 為 4800m/s,試運(yùn)算聲8 / 16 波波長 (單位為厘米) ;解:超聲波在介質(zhì)中傳播可檢測到的主要參數(shù):(1)、聲速:超聲波傳播的速度(2)、聲幅:超聲波的波幅(3)、聲頻:超聲波的頻率2.2 聲速聲速:混凝土檢測中最常用的參數(shù) 介質(zhì)中聲波波速取決于波的類型、介質(zhì)性質(zhì)和介質(zhì)的邊界條件; 波的類型: 不同類型的波在介質(zhì)中的傳播機(jī)理不同,導(dǎo)致了傳播速度的差異; 介質(zhì)性質(zhì):主要取決于密度、彈性模量、泊松比;這是影響波速的內(nèi)在因素,介質(zhì)的彈性特點(diǎn)愈強(qiáng)(E 或 G 愈大),就波速愈高; 邊界條件:固體介質(zhì)垂直于波傳

15、播方向的橫向尺寸與波長的比值越大,傳播速度越快;縱波波速: 在無限大固體介質(zhì)中傳播的縱波聲速式中 E介質(zhì)彈性模量; 介質(zhì)泊松比; 介質(zhì)密度; 在薄板 板厚遠(yuǎn)小于波長 中縱波聲速 在瘦長桿 橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長 中縱波波速由以下公式推導(dǎo)可知:這里揭示了聲波的尺寸效應(yīng),界面的約束性在無限大固體介質(zhì)中傳播的橫波波速在無限大固體介質(zhì)中傳播的表面波波速9 / 16 對于混凝土,取 =0.200.30 就: vR0.9v S,vP3 =(1.812.08)v R所以有: v P3 vS vR部分材料的彈性參數(shù)與聲速值的關(guān)系表:2.3 聲幅聲幅可以是表征質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)的任意物理量的幅度 例如:可以是質(zhì)點(diǎn)位移、速

16、度的變化幅度,可以是質(zhì)點(diǎn)加速度、 質(zhì)點(diǎn)受力的變化幅度;基于壓電晶體的傳感器,將聲壓轉(zhuǎn)換為壓電晶體的電荷值,聲壓本質(zhì)上反映質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)相鄰質(zhì)點(diǎn)間的作用力;巖土領(lǐng)域超聲波檢測中,關(guān)注相對變化, 關(guān)注這種變化與介質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系,通常不關(guān)懷用什么物理量來表達(dá)聲幅,也不關(guān)懷聲幅的確定值,實(shí)際應(yīng)用中接受聲功率 表達(dá)聲幅;聲幅( d B ):純計(jì)數(shù)單位,沒有量綱(聲壓平方)的相對變化聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)其聲幅隨傳播距離的增加而逐步減小的現(xiàn)象為衰減;聲波的衰減與聲波的頻率及傳播距離有關(guān),也與被檢測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能有關(guān);通10 / 16 過爭論聲波在介質(zhì)中的衰減情形,可以達(dá)到探測介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能的目的;聲幅衰

17、減可分為以下三種類型 1 材料的粘滯性質(zhì)(吸取衰減) 2 材料的結(jié)構(gòu)特性(散射衰減) 3 材料的幾何特性(擴(kuò)散衰減)吸取衰減:聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí),部分聲能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能等;一般認(rèn)為:吸取衰減系數(shù) 1 與聲波頻率的一次方、二次方成正比; 吸取機(jī)理: 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的內(nèi)摩擦;內(nèi)摩擦導(dǎo)致的吸取衰減系數(shù):越多機(jī)理 1. 質(zhì)點(diǎn)速度越大,摩擦越猛烈 機(jī)理 2. 頻率越高,單位時(shí)間內(nèi),反復(fù)摩擦的次數(shù)散射衰減:介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)(如混凝土中的顆粒、缺陷、摻雜物等)而導(dǎo)致聲波多次反射、折射和波型轉(zhuǎn)換,加劇能量的衰減;散射衰減系數(shù):擴(kuò)散衰減:通常這類衰減主要源于聲波傳播過程中,因波陣面的面積擴(kuò)大,導(dǎo)致波陣面上

18、的能流密 度減弱;擴(kuò)散衰減的大小主要取決于聲源輻射器的擴(kuò)散性能及波的幾何形狀,而與 傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān);2.4 聲頻頻率:反映超聲波強(qiáng)度正負(fù)交變快慢的參數(shù) 影響材料的吸取特性 影響材料的頻散特性影響材料的尺寸效應(yīng)3 超聲波基本應(yīng)用3.1 超聲波換能器 超聲波換能器(聲波探頭)按工作原理不同有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種;在檢測技術(shù)中常用壓電式;將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上,利用逆-壓電效應(yīng),使晶片發(fā)射出連續(xù)時(shí)間很短的機(jī)械脈沖激發(fā)超聲波;當(dāng)超聲波作用于壓電晶片時(shí),利用壓-電效應(yīng),將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的交變電荷和電壓;當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器分別置于被測物兩側(cè)時(shí),這種類型稱為透射型;透射型可

19、用于遙控器、 防盜報(bào)警器、 接近開關(guān)、 非金屬超聲檢測等;于被測物同側(cè)時(shí)屬于反射型;反射型可用于接近開關(guān)、測距、當(dāng)超聲發(fā)射器與接收器置 測液位或物位、 金屬探傷以及測厚等;基樁預(yù)埋管聲波檢測是透射型;成孔(成槽)檢測是反射型;超聲波換能器的指向性:能量集中在某個(gè)角度范疇 指向性的影響因素:傳感器尺度 D和波長3.2 超聲波在混凝土及巖土中的應(yīng)用超聲波在混凝土及巖土中的傳播特點(diǎn):衰減較大:巖土介質(zhì)不是良好的彈性介質(zhì),且非均質(zhì);路徑復(fù)雜:因非均質(zhì),且界面眾多,導(dǎo)致傳播路徑曲折;構(gòu)成復(fù)雜:各種界面導(dǎo)致的波型轉(zhuǎn)換(縱波轉(zhuǎn)橫波,橫波轉(zhuǎn)縱波) ;頻率兩難:高頻:指向性強(qiáng),辨論率高,衰減性大,可測范疇?。坏皖l:指向性差,辨論率低,衰減性小,可測范疇大;11 / 16 混凝土是集結(jié)型復(fù)合材料、多相復(fù)合體:從細(xì)觀上看, 混凝土內(nèi)部存在廣泛分布的復(fù)雜界面(砂漿與骨料界面、各種尺度缺陷界面等),超聲波的傳播狀態(tài)機(jī)制復(fù)雜,但是在宏觀上它表現(xiàn)出與力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的波速和衰減性質(zhì);(1)巖體、砼等非金屬試塊的測試直達(dá)波透射法(2)巖基、路基、隧道襯砌或其他結(jié)構(gòu)砼的平面測試反射波法(單工作面)依據(jù)確定規(guī)律的布設(shè)測點(diǎn)一發(fā)一收

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