CN1454309A - 用于测量声速的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量声速的装置，该装置包括：用于产生输出电脉冲信号(404)的电脉冲产生装置(402)，用于将所述输出电脉冲信号(404)转换为输出声脉冲信号(405)的发射转换器(403)，用于反射所述输出的声脉冲信号(405)，由此产生反射的声脉冲信号(409)的反射器(407)；接收转换器(408)，其被设置为能够接收直接从所述发射转换器发射的所述输出声脉冲信号(405)和由所述反射器反射的所述反射声脉冲信号(409)，其中，所述接收转换器将该接收的输出声脉冲信号(405)转换为重建的输出电脉冲信号(410)，并将该反射的声脉冲信号(409)转换为一重建的反射电脉冲信号(411)，速度确定装置，用于使用该重建的输出电脉冲信号(410)和该重建的脉冲信号(411)确定声速(412)。

Description

用于测量声速的装置和方法

技术领域

本发明涉及声速的测量。更具体地，本发明涉及用于基于声信号穿过一预定距离的行进时间来测量声速的方法和装置。

背景技术

图1示出现有技术中用于测量声速的装置100和方法，如US4,926,395中所述。

控制模块101产生一输出电脉冲信号102。该事件开始的瞬间，即产生该输出电脉冲信号102的瞬间由t1表示。该输出电脉冲信号102被发送至发射转换器103。

发射转换器103将该输出电脉冲信号102转换为声脉冲信号104。

接着，由该发射转换器103输出的声脉冲信号104穿过介质105，例如空气或水，到达反射器106并被其反射。

然后该被反射的声脉冲信号107返回到达接收转换器108，该接收转换器108接收该反射的声脉冲信号107并将其转换为电脉冲信号，以下将该电脉冲信号称为重建的反射电脉冲信号109。

在该已知的装置中，所述发射和接收转换器的前端均位于与反射器106的平面平行的平面内，因为该接收转换器和发射转换器是由单个转换器来具体实现的。

接着，该重建的反射电脉冲信号109被发送至控制模块101。

根据该重建的反射电脉冲信号109被该控制模块101收到的瞬间，可确定声脉冲信号的行进时间，即该输出并被反射的声脉冲信号穿过介质105所需的时间。该行进时间的确定将在以后进行描述。

可由下式得到由控制模块101确定并输出的声速110，s：

s＝2d/t0  (1)

这里，

d为发射转换器103(或接收转换器108)与反射器106之间的距离，且

t0为行进时间，该行进时间为所述输出的声脉冲信号104穿过发射转换器103和反射器106之间的距离所需的时间与所述反射的声脉冲信号107穿过反射器106和接收转换器108之间的距离所需的时间之和。

下面，将描述现有技术中对行进时间t0的确定。

由控制模块101产生的输出电脉冲信号102典型的为具有有限持续时间的选通正弦信号，如图2a所示。

由于发射转换器103和接收转换器108的固有特征，一般而言，转换器103和104在各自的信号转换过程中会使信号的特征恶化。这意味着，例如声脉冲信号104的波形与输出的电脉冲信号102的波形并非精确对应，其中，所述的声脉冲信号104是通过发射转换器103由输出的电脉冲信号102产生的。类似地，重建的反射电脉冲信号109的波形与反射声脉冲信号107的波形也并非精确对应，其中，所述重建的反射电脉冲信号109是通过接收转换器108由反射的声脉冲信号107产生的。

图2b示出一被控制模块101接收的重建的反射电脉冲信号109的例子，其源于作为输出电脉冲信号102被发送至发射转换器103的选通正弦信号。

当控制模块101接收到一信号后，它将决定该接收的信号是重建的反射电脉冲信号109还是仅为背景噪声。

为讨论方便，认为该接收的信号是数字信号。

当控制模块101接收到该接收信号的一个数字样本时，其将该数字信号的当前样本的幅度与两个门限301，302，即上门限301和下门限302进行比较(见图3)。

在该上下文中，幅度的意思是在当前瞬间该数字信号的电压电平。

如果该数字信号的当前样本幅度的绝对值大于上门限或下门限的绝对值，则判断检测到重建的反射电脉冲信号109，且由t2表示该当前瞬间(见图3)。

否则，控制模块101判断未检测到该重建的反射电脉信号109，且该控制模块101继续获取下一个数字样本并进行上述的比较，直到检测到该重建的反射电脉冲信号109。

然后对行进时间t0进行估计作为估计行进时间 ，其由下式获得： $\hat{t}0=t2-t1,----\left(2\right)$

这里，

t1为输出电脉冲信号102开始由控制模块101产生的瞬间，以及

t2为控制模块101检测到该重建的反射电脉冲信号109的瞬间。

以上完成了对如何由计算出的时间

估计行进时间t0的描述。

然而，上述的现有技术特别是具有以下两个问题会造成由

对t0的估计不精确。

首先，由发射转换器103所进行的输出电脉冲信号102到其声形式(声脉冲信号104)的转换不是瞬间完成的，这主要是由于转换器的物理限制。事实上，在由控制模块101开始产生输出电脉冲信号102的瞬间(即t1)和声脉冲信号104开始在介质105中行进的瞬间之间存在相当大的时延。如果对不同轮次/场合的声速测量，该时延为一固定值，则可通过由t1加该固定值替换t1来解决这一问题。然而，对不同轮次/场合下的声速测量，该时延并非恒定。

其次，对所述重建的反射电脉冲信号109的检测也不是瞬时的。事实上，仅是在经过该重建的反射电脉冲信号109的约若干周期的一个相当大的时延后，控制模块101才能够检测到该重建的反射电脉冲信号109的到来，如图3所示。如果对不同轮次/场合的声速测量该时延为一固定值，例如一个周期，则可通过由t2减去该固定值代替t2来克服这一问题。然而，对不同轮次/场合的声速测量，该时延也并不是恒定的。

当使用低廉的元件时这些问题尤其严重，例如将带有声卡的个人计算机用作控制模块101，将经济的、相当低廉的扬声器作为发射转换器103，塑料光盘盒作为反射器106，以及使用经济的、相当低廉的扩音器作为接收转换器108。

发明内容

因此，本发明的第一个目的是提供一种装置，用于即使在使用廉价元件时也能以改良的精确度来测量声速，尤其用于教学的目的，例如用于高中实验性的声速测量。

为达到该第一目的，根据本发明的第一方面，用于测量声速的装置包括用于产生电脉冲信号的电脉冲产生装置，以下将该电脉冲信号称为输出电脉冲信号。该电脉冲产生装置通过例如一电缆连接至发射转换器，该发射转换器用于将该输出电脉冲信号转换为声脉冲信号，以下将其称为输出声脉冲信号。该发射转换器可以是经济的、相当廉价的扬声器。此外，提供用于将声脉冲信号转换为电脉冲信号的接收转换器。该接收转换器可以是经济的、相当低廉的扩音器。这两个转换器均与一反射器连接，其连接方式使得由该发射转换器产生和输出的输出声脉冲信号被该反射器反射，由此产生一反射声脉冲信号，该信号被所述接收转换器接收。根据本发明的第一方面，该接收转换器相对于所述发射转换器的排列方式使得其既能接收所述输出声脉冲信号，也能接收所述反射声脉冲信号，并分别将他们转换为电脉冲信号。以下将由接收转换器自输出声脉冲信号产生的电脉冲信号称为重建的输出电脉冲信号，而将自反射的声脉冲信号产生的电脉冲信号称为重建的反射电脉冲信号。此外，根据本发明的这一方面的装置包括速度确定装置，用于使用该重建的输出电脉冲信号以及该重建的反射电脉冲信号来确定声速。

该电脉冲产生装置和/或速度确定装置可在个人计算机(PC)中实现。例如，所述电脉冲产生装置和速度确定装置均可由包含声卡的PC来实现。

此外，所述反射器可以是塑料元件，具体地说可以是光盘盒。

可以看到，根据本发明的装置的一个优点在于，即使使用非常低廉的元件，仍能够使声速测量的精确度得到改进，由于通过基于重建的输出电脉冲信号来确定声速，可消除在现有技术的装置中所存在的在上述发射转换器的转换过程中由未知的时延引起的声速计算的不确定性。此外，该装置非常便宜且因此尤其适用于低成本的应用。

根据本发明的进一步的实施例，该电脉冲产生装置被设置为使得其能够产生具有一波形的输出电脉冲信号：

.该输出的电脉冲信号以具有最大幅度的主周期开始，且

.其中，该输出电脉冲信号的端部的幅度逐渐减小到或者是0或者是与该输出电脉冲信号在其主周期内的最大幅度相比相当小的一个值。

该输出电脉冲信号可能还包括一初始部分，其幅度与该输出电脉冲信号的最大幅度相比要小得多。为讨论方便，假定该输出电脉冲信号不具有这样一个初始部分。

本发明的该实施例进一步改进了声速测量的强壮性和精确性，由于该输出电脉冲信号这种波形，使得在现有技术的装置中所存在的如上所述的速度确定装置的检测过程中由未知的时延引起的声速计算的不确定性得到了消除或至少得到了降低。

根据本发明的另一个实施例，提供一波形引导，其被设置在该发射转换器和反射器之间，和/或被设置在该接收转换器和反射器之间。

此外，该波形引导可以为一中空的柱形管，其通过将一张长纸卷成一中空的圆柱而制成。

使用这样一个波形引导，可进一步降低信号能量的损失，由此由于当穿过介质时信号幅度的损失减少，因此能够提供更好的测量结果。

此外，根据本发明的一较佳实施例，该速度确定装置被设置为使得

.当检测到该重建的输出电脉冲信号的主周期的第二个峰值时，使用第一瞬间来确定声速，

.当检测到该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二个峰值时，使用第二瞬间来确定声速。

当其绝对值大于第一门限的绝对值时，则表明检测到该重建的输出电脉冲信号的主周期的第二个峰值(其为该主周期的第二半周期的峰值)，当其绝对值大于第二门限的绝对值时，则表明检测到该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二个峰值。该第一和第二门限可具有相同或不同的值。较佳地，该第一门限的绝对值大于该第二门限的绝对值，因为一般来说，该重建的输出电脉冲信号的能量高于该重建的反射电脉冲信号的能量，从而前者的幅度也大于后者的幅度。

根据本发明，选择第二半周期的而不是第一半周期的有利之处在于，可以观察到，在某些场合下，该重建的反射电脉冲信号的主周期的第一半周期的峰值不是足够大，而在另一些场合下，其又足够大，即其绝对值在某些场合下小于第二门限的绝对值，但在另外一些场合下却大于第二门限的绝对值。因此，检测该主周期的第一半周期的峰值在许多情况下会影响估计该进行时间t0的精确性，由于在某些情况下，检测到峰值的时间将正确地与该主周期的第一半周期的峰值对应，而在另外一些情况下，其与跟随该主周期的一周期的第一半周期的峰值并非正确地对应，因为并未检测到该主周期的第一半周期的峰值。另一方面，该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值则始终都足够大。

此外，本发明的第二个目的是提供一种即使在使用低廉的元件时也能以改进的精确性来测量声速的方法。

为达到该第二目的，根据本发明的第二个方面，在该用于测量声速的方法的第一步产生一输出电脉冲信号。接着，将该输出的电脉冲信号转换为一输出声脉冲信号。被反射器反射后，接收该产生的反射声脉冲信号并将其转换为一重建的反射电脉冲信号。最后，使用该重建的反射电脉冲信号来确定声速。

此外，根据本发明的一较佳实施例，根据本发明的第二个方面，在该用于测量声速的方法的第一步，产生一输出电脉冲信号。接着，将该输出电脉冲信号转换为一输出声脉冲信号和一重建的输出电脉冲信号。在被反射器反射后，接收如此产生的反射的声脉冲信号并将其转换为一重建的反射电脉冲信号。最后，使用该重建的反射电脉冲信号和重建的输出电脉冲信号来确定声速。

上述关于装置的实施例也适用于根据本发明的方法。

附图说明

图1示出根据现有技术的用于测量声速的装置的方框图；

图2a和2b示出根据现有技术的一典型的输出电脉冲信号的波形(图2a)，和相应的重建的电脉冲信号(图2b)；

图3所示为说明在根据现有技术的控制模块中对重建的反射电脉冲信号的检测的示意图；

图4所示为根据本发明第一实施例的用于测量声速的装置的框图；

图5a和5b所示为根据本发明一实施例的输出电脉冲信号的波形图；

图6所示为说明在根据本发明一实施例的控制模块中对重建的输出电脉冲信号的检测(图6a)和重建的反射电脉冲信号的检测(图6b)的示意图；

图7所示为根据本发明的第二个实施例的用于测量声速的装置的框图。

具体实施例

以下将结合附图描述本发明的较佳实施例。

图4示出用于测量声音在空气中的速度的具有个人计算机(PC)401的装置400，所述个人计算机包括作为电脉冲产生装置和速度确定装置的声卡402。

根据该实施例，在该装置中仅使用了标准的PC附件/元件，具体地，例如声卡、扩音器和扬声器，而并未使用非标准的PC附件/元件，例如其他的PC插接卡，具有PC接口的外部单元，以及超声检测器。

注意使用个人计算机401的声卡402用于产生输出电脉冲信号404意味着该输出电脉冲信号404将在能够听得见的声频范围内，即20Hz到20,000Hz，而不在超声频率范围内，即高于20,000Hz。

在该情况下，带有声卡402的PC401形成控制模块。

此外，扬声器403被提供作为发射转换器。该扬声器403通过电缆与声卡402连接。

由该声卡402产生的该输出电脉冲信号404被提供给扬声器403，由该扬声器将其转换为输出声脉冲信号405。

然后由扬声器403发出该声脉冲信号405，使其穿越介质，根据本实施例，该介质为空气406，从而该声脉冲信号405的至少一部分碰到反射器107并被反射器107反射。

该输出声脉冲信号405进一步被用作接收转换器的扩音器408接收。由此，换句话说，如图4中所清楚表示的那样，该接收转换器关于扬声器403的放置方式使得其能够接收直接来自扬声器403的输出声脉冲信号405并将其转换为一重建的输出电脉冲信号(见图6a)。

根据该实施例的反射器407为一CD塑料盒。应注意，反射器407可由任何能够反射碰到该反射器407的输出声脉冲信号405的其他元件制成。

于是反射器407反射该输出声脉冲信号405并将该反射的声脉冲信号409发送至扩音器408。

扩音器408将该接收的信号，即接收的输出声脉冲信号405和接收的反射声脉冲信号409分别转换为重建的输出电脉冲信号410和重建的反射电脉冲信号411，该两者都被提供给PC401的声卡402。

在PC401中，将行进时间t0估计为估计的行进时间

，其由下式获得 $\hat{t}0=t4-t3----\left(3\right)$

这里

.t3为检测到该重建的输出电脉冲信号410的主周期的第二半周期的峰值的瞬间，如用于说明的图6a所示，及

.t4为检测到重建的反射电脉冲信号411的主周期的第二半周期的峰值的瞬间，如用于说明的图6b所示。

图6示出由PC401接收的信号600(包括重建的输出电脉冲信号410和重建的反射电脉冲信号411)和t3和t4的位置的例子。

该信号600的左边部分601(图6a)为重建的输出电脉冲信号410。该信号600的右边部分602(图6b)为重建的反射电脉冲信号411。

以下将使用图6所示的例子详细描述如何获得t3和t4。

在该段落中，将描述如何获得t3，即检测到该重建的输出电脉冲信号410的主周期的第二半周期的峰值的瞬间。为便于讨论，假设接收的信号为一数字信号。首先，基于关于脉冲形状的已有知识，根据该实施例，已知在该例中该第二半周期为负(非正)。当PC401接收到该接收信号的一个数字样本后，其将该接收信号的当前样本的幅度与较低的门限603进行比较。(如果该第二半周期为正，则将该幅度与较高的门限406比较)。如果该接收信号的当前样本的幅度的绝对值大于该较低门限603的绝对值，则确定检测到该重建的输出电脉冲信号410。否则，确定该接收的信号不是重建的输出电脉冲信号410，即并未检测到后者，控制模块继续获取下一个数字样本并进行如上所述的比较，直到检测到该重建的输出电脉冲信号410。然后将通过下一个样本与当前样本进行比较，再一个样本和下一个样本进行比较等等，继续寻找一局部绝对值最大点，将与该局部绝对值最大点对应的瞬间表示为t3(见图6)。注意，t3与该重建的输出电脉冲信号410的主周期的第二半周期的峰值对应。

在本段中，将说明如何获得t4，即检测到该重建的反射电脉冲信号411的主周期的第二半周期的峰值的瞬间。基于脉冲长度的现有知识，在开始搜索t4之前，要在t3之后等待某一固定的一段时间。在该段时间后，开始使用与上段所述的搜索t3相同的方法搜索t4，只是该门限的值可能不同于搜索t3所使用的门限值(注意在图6所示例子中，搜索t3和t4使用了相同的门限值)。注意t4对应于该重建的反射电脉冲信号411的主周期的第二半周期的峰值。

使用图4所述的测量装置和图5a或图5b所示并将在以下将详细描述的产生的输出电脉冲信号的波形，t3和t4不具有根据现有技术的t1和t2所面临的“时延”问题(参见图1)，因此解决了上述问题，相应地，t0的估计会变得更精确。

由此，在最后一步，声速412，s’，可根据下式确定： $s^{,}=2d^{,}/\widetilde{t0}----\left(4\right)$

这里

.d’为扩音器408和反射器106之间的距离，

为公式3中给出的估计行进时间。

图5a和5b示出根据本发明的产生的输出电脉冲信号404的波形的例子。

图5a所示的产生的输出电脉冲信号501的特征如下所述：

图5a所示的信号501以具有最大幅度的主周期503开始，

且该信号501的端部504的幅度逐渐减少至与该信号501的最大幅度相比相当小的一个值。

如图5b所示的产生的输出电脉冲信号502的特征类似于信号501，其中该信号502还包括一初始部分505，其幅度远远小于该信号502的最大幅度。为便于讨论，假设该输出电脉冲信号404不具有这样一个初始部分。

应强调说明的是，使用上述参考图5a和5b所述提出的脉冲信号作为声卡402产生的输出电脉冲信号404是有利的。事实上，如果使用图2a所示的传统的选通正弦信号作为输出的电脉冲信号，可能会出现以下问题。如果该选通正弦信号的持续时间短，则该重建的反射电脉冲信号将可能会出现严重失真，也就是说其波形将非常不同于输出电脉冲信号404的波形，因此时间t4的确定将很难且不可靠。另一方面，如果作为输出电脉冲信号的选通正弦信号的持续时间长，为了解决这一问题，可能会导致另一问题，即该重建的输出电脉冲信号可能会与重建的反射电脉冲信号重叠，于是确定t4又会很困难。

至于图5a和5b所示的该波形，该信号的持续时间被设得相当长，以便能够克服上述由于短持续时间引起的问题。现在使用长持续时间，可能会面临上段所述的“重叠问题”。然而，由于根据本发明提出的输出电脉冲信号的端部逐渐变细，因此该重建的输出电脉冲信号与该重建的反射电脉冲信号的主周期重叠的部分的幅度的绝对值远远小于该重建的反射电脉冲信号的主周期的幅度的绝对值，因此确定时间t4将不再困难。

因此，使用本发明建议的波形，将克服上述两个问题。

进一步应注意，将上述建议的波形用于也具有图1所示的已知的装置的输出电脉冲信号也在本发明的范围内，由于即使在不使用本发明提出的该装置的情况下，使用该波形也会大大地提高如上所述的测量的精确性。

根据如图7所述的本发明的进一步的实施例，在扩音器408和反射器407之间增加有一波形导引701。否则该实施例将类似于结合图4所述的第一实施例。

Claims (19)

1.一种用于测量声速的装置，包括：

用于产生输出电脉冲信号的电脉冲产生装置，

用于将所述输出电脉冲信号转换为输出声脉冲信号的发射转换器，

用于反射所述输出声脉冲信号，由此产生反射的声脉冲信号的反射器；

接收转换器，其被设置为能够接收直接从所述发射转换器发射的所述输出声脉冲信号和由所述反射器反射的所述反射声脉冲信号，其中，所述接收转换器将该接收的输出声脉冲信号转换为重建的输出电脉冲信号，并将该反射的声脉冲信号转换为一重建的反射电脉冲信号，

速度确定装置，用于使用该重建的输出电脉冲信号和该重建的反射电脉冲信号确定声速。

2.根据权利要求1的用于测量声速的装置，其中，该电脉冲产生装置被设置为能够产生具有一波形的输出电脉冲信号，

该波形包括一具有最大幅度的主周期，且

其中该输出电脉冲信号的端部的幅度逐渐变小至零或与该输出电脉冲信号在其主周期的最大幅度相比较小的值。

3.根据权利要求2所述的测量声速的装置，

其中，该电脉冲产生装置被设置为使得其能够产生具有一波形的输出电脉冲信号，其中，该输出的电脉冲信号包括一初始部分，该初始部分的幅度小于该输出电脉冲信号的最大幅度。

4.根据权利要求1-3中任何一个所述的用于测量声速的装置，

其中，该电脉冲产生装置和/或速度确定装置是在个人计算机中实现的。

5.根据权利要求1-4中任何一个所述的用于测量声速的装置，

其中该电脉冲信号产生装置包括声卡。

6.根据权利要求1-5中任何一个所述的用于测量声速的装置，其中，该发射转换器为扬声器。

7.根据权利要求1-6中任何一个所述的用于测量声速的装置，其中，该接收转换器为扩音器。

8.根据权利要求1-7中的任何一个所述的用于测量声速的装置，其中该反射器为一塑料元件，具体的，为一光盘盒。

9.根据权利要求1-8中任何一个所述的用于测量声速的装置，还包括一波形引导，其

被设置于所述发射转换器和反射器之间，和/或

被设置于所述接收转换器和反射器之间。

10.根据权利要求1-9中任何一个所述的用于测量声速的装置，

其中，该速度确定装置的设置方式使得

当检测到该重建的输出电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值时，其使用第一瞬间确定声速，及

当检测到该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值时，其使用第二瞬间确定声速。

11.根据权利要求10所述的用于测量声速的装置，

其中，该速度确定装置被以这样一种方式设置，使得

它检测该重建的输出电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值，当其绝对值高于第一门限时，以及

它检测该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值，当其绝对值高于第二门限时。

12.根据权利要求11所述的用于测量声速的装置，

其中，该速度确定装置被设置为使得该第一门限和该第二门限具有相同值。

13.一种用于测量声速的方法，包括以下步骤：

产生一输出电脉冲信号，

将该输出的电脉冲信号转换为一输出的声脉冲信号，

反射该输出的声脉冲信号，由此产生一反射的声脉冲信号，

将该反射的声脉冲信号转换为一重建的反射电脉冲信号，

使用该重建的反射电脉冲信号确定声速。

14.一种用于测量声速的方法，包括以下步骤：

产生一输出的电脉冲信号，

将该输出的电脉冲信号转换为一输出声脉冲信号和一重建的输出电脉冲信号，

反射该输出的声脉冲信号，由此产生一反射的声脉冲信号，

将该反射的声脉冲信号转换为一重建的反射电脉冲信号，

使用该重建的反射电脉冲信号和该重建的输出电脉冲信号确定声速。

15.根据权利要求13-14之一所述的用于测量声速的方法，

其中，该产生的输出电脉冲信号具有一波形，

该波形包括具有最大幅度的主周期，

且其中该输出电脉冲信号的端部的幅度逐渐变小到零或与该输出电脉冲信号在其主周期的最大幅度相比较小的值。

16.根据权利要求15的用于测量声速的方法，

其中，该产生的输出电脉冲信号具有一波形，该波形具有一幅度小于该输出电脉冲信号的最大幅度的初始部分。

17.根据权利要求14-16之一所述的用于测量声速的方法，其中，

当检测到该重建的输出电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值时，使用第一瞬间确定声速，

当检测到该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值时，使用第二瞬间确定声速。

18.根据权利要求17所述的用于测量声速的方法，

其中，这样来确定声速：

检测该重建的输出电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值，当其绝对值大于第一门限时，以及

检测该重建的反射电脉冲信号的主周期的第二半周期的峰值，当其绝对值大于第二门限时。

19.根据权利要求18的用于测量声速的方法，

其中，所述第一门限和第二门限具有相同值。

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