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Fast High Order Algorithm for Three-Dimensional Helmholtz Equation Involving Impedance Boundary Condition with Large Wave Numbers
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作者 Chengjie Tong Xianqi Fang Meiling Zhao 《American Journal of Computational Mathematics》 2023年第2期211-229,共19页
Acoustic fields with impedance boundary conditions have high engineering applications, such as noise control and evaluation of sound insulation materials, and can be approximated by three-dimensional Helmholtz boundar... Acoustic fields with impedance boundary conditions have high engineering applications, such as noise control and evaluation of sound insulation materials, and can be approximated by three-dimensional Helmholtz boundary value problems. Finite difference method is widely applied to solving these problems due to its ease of use. However, when the wave number is large, the pollution effects are still a major difficulty in obtaining accurate numerical solutions. We develop a fast algorithm for solving three-dimensional Helmholtz boundary problems with large wave numbers. The boundary of computational domain is discrete based on high-order compact difference scheme. Using the properties of the tensor product and the discrete Fourier sine transform method, the original problem is solved by splitting it into independent small tridiagonal subsystems. Numerical examples with impedance boundary conditions are used to verify the feasibility and accuracy of the proposed algorithm. Results demonstrate that the algorithm has a fourth- order convergence in  and -norms, and costs less CPU calculation time and random access memory. 展开更多
关键词 Impedance Boundary Condition helmholtz equation Compact Finite Difference Fourier Sine Transform Large wave numbers
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A Meshless Collocation Method with Barycentric Lagrange Interpolation for Solving the Helmholtz Equation
2
作者 Miaomiao Yang Wentao Ma Yongbin Ge 《Computer Modeling in Engineering & Sciences》 SCIE EI 2021年第1期25-54,共30页
In this paper,Chebyshev interpolation nodes and barycentric Lagrange interpolation basis function are used to deduce the scheme for solving the Helmholtz equation.First of all,the interpolation basis function is appli... In this paper,Chebyshev interpolation nodes and barycentric Lagrange interpolation basis function are used to deduce the scheme for solving the Helmholtz equation.First of all,the interpolation basis function is applied to treat the spatial variables and their partial derivatives,and the collocation method for solving the second order differential equations is established.Secondly,the differential matrix is used to simplify the given differential equations on a given test node.Finally,based on three kinds of test nodes,numerical experiments show that the present scheme can not only calculate the high wave numbers problems,but also calculate the variable wave numbers problems.In addition,the algorithm has the advantages of high calculation accuracy,good numerical stability and less time consuming. 展开更多
关键词 helmholtz equation Chebyshev interpolation nodes Barycentric Lagrange interpolation meshless collocation method high wave number variable wave number
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A Numerical Analysis of the Weak Galerk in Method for the Helmholtz Equation with High Wave Number 被引量:1
3
作者 Yu Du Zhimin Zhang 《Communications in Computational Physics》 SCIE 2017年第6期133-156,共24页
We study the error analysis of the weak Galerkin finite element method in[24,38](WG-FEM)for the Helmholtz problem with large wave number in two and three dimensions.Using a modified duality argument proposed by Zhu an... We study the error analysis of the weak Galerkin finite element method in[24,38](WG-FEM)for the Helmholtz problem with large wave number in two and three dimensions.Using a modified duality argument proposed by Zhu and Wu,we obtain the pre-asymptotic error estimates of the WG-FEM.In particular,the error estimates with explicit dependence on the wave number k are derived.This shows that the pollution error in the broken H1-norm is bounded by O(k(kh)^(2p))under mesh condition k^(7/2)h^(2)≤C0 or(kh)^(2)+k(kh)^(p+1)≤C_(0),which coincides with the phase error of the finite element method obtained by existent dispersion analyses.Here h is the mesh size,p is the order of the approximation space and C_(0) is a constant independent of k and h.Furthermore,numerical tests are provided to verify the theoretical findings and to illustrate the great capability of the WG-FEM in reducing the pollution effect. 展开更多
关键词 Weak Galerkin finite element method helmholtz equation large wave number STABILITY error estimates
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求解任意波数的三维Helmholtz方程
4
作者 毛崎波 《计算机工程与应用》 CSCD 北大核心 2015年第2期26-29,共4页
提出通过Adomian分解法求解任意波数的三维Helmholtz方程。通过Adomian分解法可以把三维Helmholtz微分方程转换成递归代数公式,并进一步把其边界条件转换成适用符号计算的简单代数公式。利用边界条件可以很容易得到方程的解析解表达式。... 提出通过Adomian分解法求解任意波数的三维Helmholtz方程。通过Adomian分解法可以把三维Helmholtz微分方程转换成递归代数公式,并进一步把其边界条件转换成适用符号计算的简单代数公式。利用边界条件可以很容易得到方程的解析解表达式。Adomian分解法的主要特点在于计算简单快速,并且不需要进行线性化或离散化。最后通过数值计算以验证Adomian分解法求解任意波数下三维Helmholtz方程的有效性。数值计算结果表明:Adomian分解法的计算结果非常接近精确解,并且该方法在大波数情况下还具有良好的收敛性。 展开更多
关键词 三维helmholtz方程 ADOMIAN分解法 波数
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二维低波速Helmholtz方程的异质多尺度-内部惩罚间断有限元方法
5
作者 余涛 李今欣 《井冈山大学学报(自然科学版)》 2023年第5期1-5,共5页
将异质多尺度方法和内部惩罚间断有限元方法相结合,构造了求解二维低波速Helmholtz方程的异质多尺度-内部惩罚间断有限元方法,并在局部周期条件下给出了算法的最佳误差估计。
关键词 helmholtz方程 低波速 异质多尺度方法 内部惩罚间断有限元方法 先验误差估计
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求解Helmholtz方程的无网格重心插值配点法 被引量:4
6
作者 杨苗苗 葛永斌 《应用数学》 CSCD 北大核心 2021年第3期574-589,共16页
本文针对Helmholtz方程,借助Chebyshev插值节点,运用重心Lagrange插值基函数和重心有理插值基函数推导了求解该类方程的两种无网格配点法.首先,将插值基函数应用于空间变量及其偏导数,建立了基于配点法的二阶微分方程组.其次,在给定的... 本文针对Helmholtz方程,借助Chebyshev插值节点,运用重心Lagrange插值基函数和重心有理插值基函数推导了求解该类方程的两种无网格配点法.首先,将插值基函数应用于空间变量及其偏导数,建立了基于配点法的二阶微分方程组.其次,在给定的插值节点上,利用微分矩阵对其进行了简化.最后通过三种测试节点来计算数值算例,从而验证了本文方法不仅可以计算大波数问题,还可以计算变波数问题,并且算法具有精确稳定、计算量小和高效等优点. 展开更多
关键词 helmholtz方程 重心Lagrange插值 重心有理插值 无网格配点法 大波数 变波数
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Acoustic finite-difference modeling beyond conventional Courant-Friedrichs-Lewy stability limit:Approach based on variable-length temporal and spatial operators 被引量:2
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作者 Hongyu Zhou Yang Liu Jing Wang 《Earthquake Science》 2021年第2期123-136,共14页
Conventional finite-difference(FD)methods cannot model acoustic wave propagation beyond Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)numbers 0.707 and 0.577 for two-dimensional(2D)and three-dimensional(3D)equal spacing cases,respectiv... Conventional finite-difference(FD)methods cannot model acoustic wave propagation beyond Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)numbers 0.707 and 0.577 for two-dimensional(2D)and three-dimensional(3D)equal spacing cases,respectively,thereby limiting time step selection.Based on the definition of temporal and spatial FD operators,we propose a variable-length temporal and spatial operator strategy to model wave propagation beyond those CFL numbers while preserving accuracy.First,to simulate wave propagation beyond the conventional CFL stability limit,the lengths of the temporal operators are modified to exceed the lengths of the spatial operators for high-velocity zones.Second,to preserve the modeling accuracy,the velocity-dependent lengths of the temporal and spatial operators are adaptively varied.The maximum CFL numbers for the proposed method can reach 1.25 and 1.0 in high velocity contrast 2D and 3D simulation examples,respectively.We demonstrate the effectiveness of our method by modeling wave propagation in simple and complex media. 展开更多
关键词 acoustic wave equation FINITE-DIFFERENCE stability condition Courant-Friedrichs-Lewy numbers variable length.
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高波数Helmholtz方程的高阶连续多罚有限元方法的稳定性估计(英文)
8
作者 朱凌雪 《应用数学》 CSCD 北大核心 2019年第2期423-431,共9页
本文考虑二维和三维区域上高波数Helmholtz散射问题的高阶(多项式次数p≥2)连续多罚有限元方法.本文证明在加罚参数的虚部大于零的条件下,对任意k, h, p,连续多罚有限元方法是绝对稳定的,即都存在唯一解.这里k是波数, h为网格尺寸.
关键词 helmholtz方程 高波数 稳定性估计 高阶连续多罚有限元方法
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高波数Helmholtz方程的hp-连续内罚有限元方法的稳定性分析
9
作者 朱凌雪 《金陵科技学院学报》 2016年第1期44-49,共6页
分析和研究二维和三维区域上高波数Helmholtz散射问题的高阶连续内罚有限元方法,给出了连续内罚有限元方法是绝对稳定的证明。
关键词 helmholtz方程 高波数 稳定性估计 连续内罚有限元方法
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周期镶嵌亥姆霍兹共鸣腔平板的声全背向反射 被引量:1
10
作者 张亚东 王新龙 《声学学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第2期191-196,共6页
研究斜入射声波在周期镶嵌亥姆霍兹共鸣器的刚性界面上的反射行为。共鸣器间的空间周期间隔d和入射声波的波长λ相当,且大于共振腔尺寸,因此可被视为具有集总参数的声学元件。理论分析和数值计算均表明,当入射波频率和方向既满足布拉格... 研究斜入射声波在周期镶嵌亥姆霍兹共鸣器的刚性界面上的反射行为。共鸣器间的空间周期间隔d和入射声波的波长λ相当,且大于共振腔尺寸,因此可被视为具有集总参数的声学元件。理论分析和数值计算均表明,当入射波频率和方向既满足布拉格共振条件又同时满足亥姆霍兹共振条件时,在通常的反射方向上反射声波消失,反射波逆入射方向传播,引起与常规反射全然不同的全背向反射。 展开更多
关键词 亥姆霍兹 反射波 共鸣器 周期 平板 共振条件 声学元件 集总参数
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A Numerical Study on the Weak Galerkin Method for the Helmholtz Equation 被引量:2
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作者 Lin Mu Junping Wang +1 位作者 Xiu Ye Shan Zhao 《Communications in Computational Physics》 SCIE 2014年第5期1461-1479,共19页
A weak Galerkin(WG)method is introduced and numerically tested for the Helmholtz equation.This method is flexible by using discontinuous piecewise polynomials and retains the mass conservation property.At the same tim... A weak Galerkin(WG)method is introduced and numerically tested for the Helmholtz equation.This method is flexible by using discontinuous piecewise polynomials and retains the mass conservation property.At the same time,the WG finite element formulation is symmetric and parameter free.Several test scenarios are designed for a numerical investigation on the accuracy,convergence,and robustness of the WG method in both inhomogeneous and homogeneous media over convex and non-convex domains.Challenging problems with high wave numbers are also examined.Our numerical experiments indicate that the weak Galerkin is a finite element technique that is easy to implement,and provides very accurate and robust numerical solutions for the Helmholtz problem with high wave numbers. 展开更多
关键词 Galerkin finite element methods discrete gradient helmholtz equation large wave numbers weak Galerkin.
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Iterative Pure Source Transfer Domain Decomposition Methods for Helmholtz Equations in Heterogeneous Media
12
作者 Yu Du Haijun Wu 《Communications in Computational Physics》 SCIE 2023年第10期1247-1276,共30页
We extend the pure source transfer domain decomposition method(PSTDDM)to solve the perfectly matched layer approximation of Helmholtz scattering problems in heterogeneous media.We first propose some new source transfe... We extend the pure source transfer domain decomposition method(PSTDDM)to solve the perfectly matched layer approximation of Helmholtz scattering problems in heterogeneous media.We first propose some new source transfer operators,and then introduce the layer-wise and block-wise PSTDDMs based on these operators.In particular,it is proved that the solution obtained by the layer-wise PSTDDM in R2 coincides with the exact solution to the heterogeneous Helmholtz problem in the computational domain.Second,we propose the iterative layer-wise and blockwise PSTDDMs,which are designed by simply iterating the PSTDDM alternatively over two staggered decompositions of the computational domain.Finally,extensive numerical tests in two and three dimensions show that,as the preconditioner for the GMRES method,the iterative PSTDDMs are more robust and efficient than PSTDDMs for solving heterogeneous Helmholtz problems. 展开更多
关键词 helmholtz equation large wave number perfectly matched layer source transfer domain decomposition method PRECONDITIONER heterogeneous problem
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高波数Helmholtz方程的有限元方法和连续内罚有限元方法 被引量:3
13
作者 武海军 《计算数学》 CSCD 北大核心 2018年第2期191-213,共23页
本文介绍高波数Helmholtz方程的有限元方法和连续内罚有限元方法.将以线性元情形为例,给出方法的明显依赖于波数k的预渐近稳定性和误差分析.我们将介绍三种证明方法.我们还讨论了内罚有限元方法的罚参数的选取以显著减少方法的污染... 本文介绍高波数Helmholtz方程的有限元方法和连续内罚有限元方法.将以线性元情形为例,给出方法的明显依赖于波数k的预渐近稳定性和误差分析.我们将介绍三种证明方法.我们还讨论了内罚有限元方法的罚参数的选取以显著减少方法的污染误差.最后还给出数值例子验证理论结果. 展开更多
关键词 helmholtz方程 高波数 内罚有限元方法 预渐近误差估计
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高波数Helmholtz方程的内罚有限元方法 被引量:3
14
作者 武海军 《中国科学:数学》 CSCD 北大核心 2012年第5期429-444,共16页
本文考虑二维和三维区域上高波数Helmholtz散射问题的线性内罚有限元方法.该散射问题的边界条件取为一阶吸收边界条件.本文证明了,如果加罚参数γ=γr+iγi的虚部γi大于零,那么内罚有限元方法是绝对稳定的,即对任意k,h,R>0都存在唯... 本文考虑二维和三维区域上高波数Helmholtz散射问题的线性内罚有限元方法.该散射问题的边界条件取为一阶吸收边界条件.本文证明了,如果加罚参数γ=γr+iγi的虚部γi大于零,那么内罚有限元方法是绝对稳定的,即对任意k,h,R>0都存在唯一解.这里k是波数,h为网格尺寸,R是区域的直径.进一步地,如果|γr|γi1,那么存在与k,h,γ,R无关的常数C0,C1,C2,使得当k3h2RC0时,该方法的H1误差界为(C1kh+C2k3h2R)RM(f,g),当k3h2R>C0且kh有界时,H1误差界为(C1kh+C2/γi)RM(f,g),其中M(f,g):=(∥f∥L2(Ω)+R-1/2∥g∥L2(Γ))+R-1|g|H1/2(Γ).另外,本文还推导了L2误差估计.注意到γ=0时内罚有限元方法就是经典的有限元方法,通过取加罚参数为iγi并令γi趋于0+,本文还在k3h2RC0的条件下,得到了有限元方法的稳定性和误差估计.作者以前的工作只考虑了加罚参数为纯虚数的情形并且没有考虑对R的依赖关系. 展开更多
关键词 高波数helmholtz方程 内罚有限元 预渐近误差分析
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一种求解变波数Helmholtz方程的高精度紧致差分方法 被引量:2
15
作者 王芝 葛永斌 《重庆师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2019年第5期92-97,共6页
【目的】进一步研究Helmholtz方程对于大波数和变波数问题的数值计算,数值求解Helmholtz方程具有重要的理论价值和现实意义。【方法】利用泰勒级数展开,并结合混合型紧致格式的思想,推导了数值求解一维和二维Helmholtz方程的六阶精度紧... 【目的】进一步研究Helmholtz方程对于大波数和变波数问题的数值计算,数值求解Helmholtz方程具有重要的理论价值和现实意义。【方法】利用泰勒级数展开,并结合混合型紧致格式的思想,推导了数值求解一维和二维Helmholtz方程的六阶精度紧致差分格式。并且格式涉及到未知函数及其一阶和二阶导数值,为保证格式的整体精度,对一阶和二阶导数的计算也采用六阶紧致差分格式。【结果】格式在小波数和变波数的情况下都有六阶精度,在大波数的情况下仍然能保持三阶以上精度。【结论】数值实验验证了格式的精确性和可靠性。 展开更多
关键词 变波数helmholtz方程 混合型 高精度 紧致格式 有限差分方法
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Helmholtz方程有限差分方法概述 被引量:2
16
作者 王坤 张扬 郭瑞 《计算数学》 CSCD 北大核心 2018年第2期171-190,共20页
文章对最近二十年来Helmholtz方程有限差分方法方面的发展进行了概述.以相位误差为基础,文章分别对一维、二维、三维空间中该方面的研究结果进行了陈述,阐述了各种方法之间的差别与联系,特别展现了在高波数情况下不同差分格式对Helm... 文章对最近二十年来Helmholtz方程有限差分方法方面的发展进行了概述.以相位误差为基础,文章分别对一维、二维、三维空间中该方面的研究结果进行了陈述,阐述了各种方法之间的差别与联系,特别展现了在高波数情况下不同差分格式对Helmholtz方程的计算效果,并且对高波数Helmholtz方程有限差分方法研究中现在存在的一些主要困难进行了讨论. 展开更多
关键词 helmholtz方程 高波数问题 有限差分方法 相位误差 数值色散
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A Fast High Order Iterative Solver for the Electromagnetic Scattering by Open Cavities Filled with the Inhomogeneous Media
17
作者 Meiling Zhao 《Advances in Applied Mathematics and Mechanics》 SCIE 2013年第2期235-257,共23页
The scattering of the open cavity filled with the inhomogeneous media is studied.The problem is discretized with a fourth order finite difference scheme and the immersed interfacemethod,resulting in a linear system of... The scattering of the open cavity filled with the inhomogeneous media is studied.The problem is discretized with a fourth order finite difference scheme and the immersed interfacemethod,resulting in a linear system of equations with the high order accurate solutions in the whole computational domain.To solve the system of equations,we design an efficient iterative solver,which is based on the fast Fourier transformation,and provides an ideal preconditioner for Krylov subspace method.Numerical experiments demonstrate the capability of the proposed fast high order iterative solver. 展开更多
关键词 helmholtz equation compact finite difference scheme discontinuous wave numbers immerse interface method fast iterative solver
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高波数Helmholtz方程的超收敛分析
18
作者 杜宇 《计算数学》 CSCD 北大核心 2018年第2期149-170,共22页
本文考虑求解Helmholtz方程的有限元方法的超逼近性质以及基于PPR后处理方法的超收敛性质.我们首先给出了矩形网格上的p次元在收敛条件k(kh)2p+1≤Co下的有限元解和基于Lobatto点的有限元插值之间的超逼近以及重构的有限元梯度和精... 本文考虑求解Helmholtz方程的有限元方法的超逼近性质以及基于PPR后处理方法的超收敛性质.我们首先给出了矩形网格上的p次元在收敛条件k(kh)2p+1≤Co下的有限元解和基于Lobatto点的有限元插值之间的超逼近以及重构的有限元梯度和精确解之间的超收敛分析.然后我们给出了四边形网格上的线性有限元方法的分析.这些估计都给出了与波数k和网格尺寸h的依赖关系.同时我们回顾了三角形网格上的线性有限元的超收敛结果.最后我们给出了数值实验并且结合Richardson外推进一步减少了误差. 展开更多
关键词 亥姆霍兹方程 PPR方法 超收敛 超逼近
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求解特定条件下的Helmholtz方程的修正有限体积方法
19
作者 张娟 冯秀芳 《重庆师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2021年第4期69-79,共11页
【目的】由于界面问题所导出的偏微分方程的解在通过界面时一般是不连续的,这使得大多数传统数值方法不能很好地适用于求解界面问题,而有限体积方法因保持物理量的局部守恒性,而且计算简单,于是成为解决界面问题的有效方法。因此,研究... 【目的】由于界面问题所导出的偏微分方程的解在通过界面时一般是不连续的,这使得大多数传统数值方法不能很好地适用于求解界面问题,而有限体积方法因保持物理量的局部守恒性,而且计算简单,于是成为解决界面问题的有效方法。因此,研究利用有限体积方法对求解界面问题具有重要意义。【方法】首先基于一种修正的有限体积方法对带有不连续波数和奇异源项的Helmholtz方程进行整体逼近。然后,通量采用泰勒级数展开,积分项利用多项式插值进行逼近,对于界面问题利用跳跃条件将负侧的点转化到正侧,从而构造了连续问题以及界面问题的六阶紧致有限差分格式。【结果】格式在连续波数和界面处都可以达到六阶精度。【结论】数值实验验证了格式的有效性和精确性。 展开更多
关键词 helmholtz方程 有限体积方法 紧致格式 不连续波数
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加权最小二乘无网格法求解亥姆霍兹方程 被引量:7
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作者 李鹏 彭伟才 +1 位作者 李志江 何锃 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第7期40-43,共4页
在移动最小二乘近似的基础上,直接使用最小二乘法建立系统的变分公式,导出了亥姆霍兹方程的加权最小二乘无网格(MWLS)法公式.MWLS法兼有伽辽金型无网格法和配点型无网格法精度高、收敛快的优点,并且克服了伽辽金法计算量大、配点法不稳... 在移动最小二乘近似的基础上,直接使用最小二乘法建立系统的变分公式,导出了亥姆霍兹方程的加权最小二乘无网格(MWLS)法公式.MWLS法兼有伽辽金型无网格法和配点型无网格法精度高、收敛快的优点,并且克服了伽辽金法计算量大、配点法不稳定的缺陷.通过一维算例讨论了MWLS法应用于亥姆霍兹方程时各种参数的影响以及最佳参数的选择,通过二维算例证明该方法计算效率高于无单元伽辽金法(EFGM).数值结果表明MWLS法求解亥姆霍兹方程具有效率高、精度高和稳定性好的优点.对高波数波动问题给出了精确的模拟. 展开更多
关键词 移动最小二乘近似 亥姆霍兹方程 无网格法 高波数 伽辽金法
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