2022年机械振动课后习题和答案第二章习题和答案.pdf

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1、弹簧下悬挂一物体, 弹簧静伸长为。设将物体向下拉, 使弹簧有静伸长3 ,然后无初速度地释放,求此后的运动方程。解:设物体质量为m,弹簧刚度为 k ,则:mgk,即:/nkmg取系统静平衡位置为原点0 x,系统运动方程为:& &00020mxkxxx(参考教材 P14)解得:( )2cosnx tt精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 弹簧不受力时长度为65cm ,下端挂上 1kg 物体后弹簧长 85cm 。设用手托住物体使弹簧回到原长

2、后无初速度地释放,试求物体的运动方程、振幅、周期及弹簧力的最大值。解:由题可知:弹簧的静伸长0.850.650.2()mV所以:9.87(/ )0.2ngradsV取系统的平衡位置为原点,得到:系统的运动微分方程为:20nxx& &其中,初始条件:(0)0.2(0)0 xx &(参考教材 P14)所以系统的响应为:( )0.2cos()nx tt m弹簧力为:( )( )cos()knmgFkx tx tt NV因此:振幅为、周期为2( )7s、弹簧力最大值为1N 。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - -

3、- -第 2 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 重物1m悬挂在刚度为 k 的弹簧上并处于静平衡位置,另一重物2m从高度为h 处自由落到1m上而无弹跳,如图所示,求其后的运动。解:取系统的上下运动x为坐标,向上为正,静平衡位置为原点0 x,则当m有x位移时,系统有:2121()2TEmm x &212Ukx由()0Td EU可知:12()0mmxkx& &即:12/ ()nkmm系统的初始条件为:&2020122m gxkmxghmm(能量守恒得:221201()2m ghmm x & )因此系统的响应为:01( )cossinnnx tAtAt其中:&200021122

4、nm gAxkxm gghkAkmm精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 即:2122( )(cossin)nnm gghkx tttkmm精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一质量为m、转动惯量为 I 的圆柱体作自由纯滚动, 圆心受到一弹簧 k 约束,如图所示,求系统的固

5、有频率。解:取圆柱体的转角为坐标,逆时针为正,静平衡位置时0,则当m有转角时,系统有:2222111()()222TEImrImr&21()2Ukr由()0Td EU可知:22()0Imrkr& &即:22/ ()nkrImr(rad/s )精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 均质杆长 L、重 G ,用两根长 h 的铅垂线挂成水平位置,如图所示,试求此杆相对铅垂轴OO 微幅振动的周期。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - -

6、- - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 求如图所示系统的周期,三个弹簧都成铅垂,且21312,kk kk。解:取m的上下运动x为坐标,向上为正,静平衡位置为原点0 x,则当m有x位移时,系统有:212TEmx &22211115226Ukxk xk x(其中:1212k kkkk)由()0Td EU可知:1503mxk x& &即:153nkm(rad/s ) ,1325mTk(s)精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - -

7、 - - - - - - - -第 7 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 如图所示,半径为r 的均质圆柱可在半径为R 的圆轨面内无滑动地、以圆轨面最低位置O 为平衡位置左右微摆,试导出柱体的摆动方程,求其固有频率。解:设物体重量 W,摆角坐标如图所示,逆时针为正, 当系统有摆角时,则:2()(1cos )()2UW RrW Rr设&为圆柱体转角速度,质心的瞬时速度:()cRrr&,即:()Rrr&记圆柱体绕瞬时接触点A的转动惯量为AI,则:22212ACWWWIIrrrggg&2222211 33()()()22 24TAWRrWEIrRrgrg(或者理解为:&2221

8、1()22TcWEIRrg,转动和平动的动能)由()0Td EU可知:& &23()()02WRrW Rrg精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 即:23()ngRr(rad/s )精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 横截面面积为 A,质量为 m的圆柱形浮子静止在比重为的液

9、体中。设从平衡位置压低距离x(见图),然后无初速度地释放,若不计阻尼,求浮子其后的运动。解:建立如图所示坐标系,系统平衡时0 x,由牛顿第二定律得:()0mxAx g& &,即:nAgm有初始条件为:&000 xxx所以浮子的响应为:( )sin()2Agx txtm精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 求如图所示系统微幅扭振的周期。图中两个摩擦轮可分别绕水平轴O1,O2转动,它们相互啮合, 不能相对滑动, 在图示位置 (半径 O1

10、A与 O2B在同一水平线上 ) ,弹簧不受力。摩擦轮可以看做等厚均质圆盘,质量分别为m1,m2。解:两轮的质量分别为12,m m ,因此轮的半径比为:1122rmrm由于两轮无相对滑动,因此其转角比为:121212rr&取系统静平衡时10,则有:2222221 112 2212111 11 11()()()2 22 24TEm rm rmm r&2221112221211111()()()()222Uk rk rkkr由()0Td EU可知:222121112111()()02mm rkk r& &即:12122()nkkmm(rad/s ) ,121222()mmTkk(s)精品资料 - -

11、 - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 如图所示,轮子可绕水平轴转动, 对转轴的转动惯量为I , 轮缘绕有软绳,下端挂有重量为P 的物体,绳与轮缘之间无滑动。在图示位置,由水平弹簧维持平衡。半径R与 a 均已知,求微振动的周期。解:取轮的转角为坐标,顺时针为正, 系统平衡时0,则当轮子有转角时,系统有:&2222111()()222TPPEIRIRgg21()2Uka由()0Td EU可知:& &222()0PIRkag即:22nkaPIRg(rad

12、/s ) ,故2222nPIRgTka(s)精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 弹簧悬挂一质量为m的物体,自由振动的周期为T,如果在 m上附加一个质量 m1,则弹簧的静伸长增加lV ,求当地的重力加速度。解:224mTkmkTQ12114m gk lk lmlgmTmQVVV精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页,共 40

13、页 - - - - - - - - - - 用能量法求图所示三个摆的微振动的固有频率。摆锤重 P,(b) 与( c) 中每个弹簧的弹性系数为k/2 。(1) 杆重不计; (2) 若杆质量均匀,计入杆重。解:取系统的摆角为坐标,静平衡时0(a)若不计杆重,系统作微振动,则有:&221()2TPELg21(1cos )2UPgLPgL由()0Td EU可知:& &20PLPLg即:ngL(rad/s )如果考虑杆重,系统作微振动,则有:&22222211 11()()()22 323LTLPPmELm LLgg2(1cos )(1cos )()222LLLPmUPgLm ggLg由()0Td EU

14、可知:& &2()()032LLPmPmLgLgg精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 即:()2()3LnLPmggPmLg(rad/s )(b)如果考虑杆重,系统作微振动,则有:&22222211 11()()()22 323LTLPPmELm LLgg221()( )()2222 22LPmkLUgLg即:()24()3LnLPmkLggPmLg(rad/s )(c)如果考虑杆重,系统作微振动,则有:&22222211 11(

15、)()()22 323LTLPPmELm LLgg221()( )()2222 22LPmkLUgLg即:()42()3LnLkLPmggPmLg(rad/s )精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 求如图所示系统的等效刚度,并把它写成与x 的关系式。答案:系统的运动微分方程2220abmxkxa& &精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - -

16、-第 16 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一台电机重 470N ,转速为 1430rmin,固定在两根 5 号槽钢组成的简支梁的中点,如图所示。每根槽钢长,重,弯曲刚度EIm2。( a)不考虑槽钢质量,求系统的固有频率;(b)设槽钢质量均布,考虑分布质量的影响,求系统的固有频率;( c)计算说明如何避开电机和系统的共振区。一质量 m固定于长 L,弯曲刚度为 EI,密度为 ?的弹性梁的一端,如图所示,试以有效质量的概念计算其固有频率。wL3/(3EI)精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - -

17、 - - - -第 17 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 求等截面 U形管内液体振动的周期,阻力不计,假定液柱总长度为L。解:假设 U形管内液柱长 l ,截面积为 A ,密度为,取系统静平衡时势能为 0,左边液面下降x时,有:&212TEAlxUAxgx由()0Td EU可知:& &20Alxg Ax即:2ngl(rad/s ) ,2lTg(s)精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 18 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 217 水箱 l 与 2

18、 的水平截面面积分别为A1、A2,底部用截面为A0的细管连接。求液面上下振动的固有频率。解:设液体密度为,取系统静平衡时势能为0,当左边液面下降1x 时,右边液面上升2x ,液体在水箱 l 与 2 和细管中的速度分别为123,x x x& & &,则有:22211133222111()()222TEA hxxA L xA hxx&22211132132()() 2AAA hA LA hxAA&(由于:1;hxh2;hxh112233;A xA xA x&1122A xA x)1212xxUAx g由()0Td EU可知:11111232 (1)()(1)0AAAhLxgxAAA& &即:121

19、123(1)(1)()nAgAAAhLAA(rad/s )精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 19 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 如图所示,一个重 W 、面积为 A的薄板悬挂在弹簧上,使之在粘性液体中振动。设 T1、T2分别为无阻尼的振动周期和在粘性液体中的阻尼周期。试证明:2222212TTTgATW并指出的意义 (式中液体阻尼力Fd=?2Av)。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - -

20、 - - - -第 20 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 试证明:对数衰减率也可用下式表示nxxn0ln1,(式中 xn是经过 n 个循环后的振幅 )。并给出在阻尼比为、 、时振幅减小到 50% 以下所需要的循环数。解:设系统阻尼自由振动的响应为( )x t;0t时刻的位移为0 x;0nttnT时刻的位移为nx;则:0000()0cos()cos()nndndtnTdtnTnddxXetexXetnT所以有:001lnlnndnxxnTnnxx,即:nxxn0ln1当振幅衰减到 50% 时,00.5nxx,即:211ln2ln 22n1) 当0.01时,11n;要 1

21、1 个循环;2) 当0.1时,1.1n;要 2 个循环;3) 当0.3时,0.34n;要 1 个循环;精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 21 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 某双轴汽车的前悬架质量为m1=1151kg,前悬架刚度为k1= m ,若假定前、后悬架的振动是独立的,试计算前悬架垂直振动的偏频。如果要求前悬架的阻尼比0.25,那么应给前悬架设计多大阻尼系数( c) 的悬架减振器?精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎

22、下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 22 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 重量为 P的物体,挂在弹簧的下端, 产生静伸长,在上下运动时所遇到的阻力与速度 v 成正比。要保证物体不发生振动,求阻尼系数c 的最低值。若物体在静平衡位置以初速度v0开始运动,求此后的运动规律。解:设系统上下运动为x坐标系,系统的静平衡位置为原点,得到系统的运动微分方程为:& &0PPxcxxg系统的阻尼比:22ccmkP Pg系统不振动条件为:1,即:2/cPg物体在平衡位置以初速度0开始运动,即初始条件为:&0000 xx此时系统的响应为:(可参考教材 P22)1)

23、当1时:221112( )()nnntttx teA eA e其中:01,22121nnAg2) 当1时:12( )nnttx tA eA te,其中:1200AA精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 23 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 即:0( )ntx tte3) 当1时:12( )(cossin)ntddx teCtCt其中:12020/1ddnCC,即:0( )sinntddx tet精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - -

24、欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 24 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一个重 5500N的炮管具有刚度为m的驻退弹簧。如果发射时炮管后座,试求:炮管初始后座速度;减振器临界阻尼系数(它是在反冲结束时参加工作的) ;炮管返回到离初始位置时所需要的时间。设系统阻尼比0.1,试按比例画出在n、 、三种情况下微分方程的向量关系图。试指出在简谐激励下系统复频率响应、放大因子和品质因子之间的关系,并计算当0.2、n=5rad/s 时系统的品质因子和带宽。已知单自由度系统振动时其阻力为cv( 其中 c 是常数, v 是运动速度 ),激励为0sinFFt

25、,当n即共振时,测得振动的振幅为X,求激励的幅值 F0。若测得共振时加速度的幅值为A,求此时的 F0。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 25 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 某单自由度系统在液体中振动,它所受到的激励为50cosFt (N) ,系统在周期 T时共振,振幅为,求阻尼系数。解:由0.20Ts时共振可知,系统固有频率为:210nT当n时,已知响应振幅:0FXc, (参教材 P30)所以:5010(/)FcN s mXg精品资料 - - - 欢迎下载 - -

26、 - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 26 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一个具有结构阻尼的单自由度系统,在一周振动内耗散的能量为它的最大势能的 % ,试计算其结构阻尼系数。要使每一循环消耗的能量与频率比无关,需要多大的阻尼系数。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 27 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 若振动物体受到的阻力与其运动速度平方成正比,即0022xxaFxxaFdd求其

27、等效阻尼系数和共振时的振幅。解:实际上,这是一种低粘度流体阻尼。设系统的运动为:( )cos()x tXt332c/20/20/3330/333032323(|() |)()|() |() |() |sin()sin ()sin ()2(0)(0)wwwaXAwx dxx d AH wwwtaH ww wtH wwAwtdxw Atdtaw XtdtX w&2334axd2338axd22338XCax3823xaeCcos()xXt精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 28 页,共 40 页

28、- - - - - - - - - - sin()xXt?/2/220/222202/2222/3283sin ()(cos()sin ()(cos()cWx dxx dxXtXtdtXtXtdtX?2PCWWCX83aXC00238FFcaXXaFwaxwFnnX2321830220?0022xxxxdF2338334/034/034/02)(cos444ZdttZdxxdxxxdFTTTde?精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 29 页,共 40 页 - - - - - - - - - -

29、 2ZCCPZe3800CFZ2083ZFZ精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 30 页,共 40 页 - - - - - - - - - - KGl电动机重 P, 装在弹性基础上, 静下沉量为 ?。 当转速为 nrmin 时,由于转子失衡,沿竖向有正弦激励,电机产生振幅为A 的强迫振动。试求激励的幅值,不计阻尼。电动机重P,装在弹性梁上,使梁有静挠度?。转子重Q,偏心距为 e。试求当转速为 ?时,电动机上下强迫振动的振幅A,不计梁重。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - -

30、 - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 31 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一飞机升降舵的调整片铰接于升降舵的O轴上(图 T,并由一联动装置控制。该装置相当于一刚度为kT的扭转弹簧。调整片转动惯量为I ,因而系统固有频率/nTKI,但因 kT不能精确计算,必须用试验测定n。为此固定升降舵,利用弹簧k2对调整片做简谐激励,并用弹簧k1来抑制。改变激励频率直至达到其共振频率T。试以T和试验装置的参数来表示调整片的固有频率n。解:设调整片的转角为,系统的微分方程为:2122()sinTIkkkLk Lyt& &系统的共振频率为:22

31、120()Tkkk LI因此:22012()TkIkkL调整片的固有频率为:222120()Tnkkk LII图T精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 32 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 如图所示由悬架支承的车辆沿高低不平的道路行进。试求W的振幅与行进速度的关系,并确定最不利的行进速度。解:由题目VLTLVTw22tYyLV2cos)(yxKXw?tKYXwLV2cos?tKYKxXwLV2cos?2222)(2)()(sLVLVKYsKXsXwS)()(22222)

32、(KwssKYLVLVsXwKn22222222sinsinnnnYaYnaaXatwVTKLYKLYaYaYKLwVnnX2222222422221)/(10)/(1wkVL/2精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 33 页,共 40 页 - - - - - - - - - - LTvT2Lv2KyKXXm?yXXnn22?222nnYX222422222LvnnnnYYXmRLV2242精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - -

33、 - - - - - - -第 34 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 单摆悬点沿水平方向做简谐运动(图 T, ?=asin?t 。试求在微幅的强迫振动中偏角 ?的变化规律。已知摆长为L,摆锤质量为 m 。一个重 90N的飞机无线电要与发动机的频率16002200r/min 范围的振动隔离,为了隔离85% ,隔振器的静变形需要多少?试从式证明:1. 无论阻尼比取何值,在频率比2/n时,恒有 XA。2. 在2/n,X/A 随增大而减小,而在2/n,X/A 随增大而增大。某位移传感器固有频率为,阻尼比?=。试估计所能测量的最低频率,设要求误差 1,2。一位移传感器的固有频为

34、率2Hz,无阻尼,用以测量频率为 8Hz的简谐振动,测得振幅为。问实际振幅是多少?误差为多少 ?一振动记录仪的固有频率为fn,阻尼比 ?=。用其测量某物体的振动,物体的运动方程已知为x=?t +?t (cm)证明:振动记录仪的振动z 将为z(4?t-500)+(8?t-1200)(cm)精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 35 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 求单自由度无阻尼系统对图所示激励的响应,设初始条件为零。解:a)(sin)(sin)()(11tethteth

35、dtmdtmndndtthdmdsin)(1)(sin)2(1tthdmd)()(sin)(cos)(cos)(01101tdtFttdtXtnmnRFtnnc1)(cos)()()()()(1201211ttdthtFdthtFtXRFnRFttt)(cos)(coscos)(cos)(*0)()()()()(121220121211tttttttthdthtFdthtFtXnnRFnnRFtttttbtFtF10)()()(10ttFtF精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 36 页,共 4

36、0 页 - - - - - - - - - - cos)()()()(11010sin010ttttRFnttFtnnntdtthtFtX)(cos)(*0)()()(sin)(sin1011111ttttnRFtttnnnttdthdthFtXCtFtF10)()()(10ttFtFsin)(cos1 )()()(11110ttdthtFtXntttnRFtncos)(*0)()()(sin)(sin011111ttttnRFtttnnntdthdthFtX精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第

37、 37 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 求图 T所示系统的传递函数,这里激励是x3( t )。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 38 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一弹簧质量系统从一倾斜角为300的光滑斜面下滑,如图所示。求弹簧与墙壁开始接触到脱离接触的时间。解:弹簧接触墙壁时,m的速度为:02sin 30gsgs以接触时 m的位置为原点,斜下方为正,则m的微分方程为:sin 30mxkxmg& &考虑到系统的初始条件:000 xxgs&

38、,采用卷积分计算系统的响应为:0sin 30( )sin(1cos)nnnxmgx tttk&其中:nkm当 m与墙壁脱离时应有1()0 x t故由:111( )sin(1cos)02nnngsmgx tttk可得到:142()ksktarctgmmg也就是弹簧与墙壁开始接触到脱离接触的时间。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 39 页,共 40 页 - - - - - - - - - - 一个高 F0、宽 t0的矩形脉冲力加到单自由度无阻尼系统上,把这个矩形脉冲力看做两个阶跃脉冲力之和,如图所示。用叠加原理求t t0后的响应。如图T所示,系统支承受凸轮作用,运动波形为图中所示的锯齿波,求系统的稳态响应。证明式,即卷积积分满足交换律)()()()(thtFtFth精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 40 页,共 40 页 - - - - - - - - - -

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