聲學 | 建築聲學發展史簡論：實踐與認識的發展
“知史而明今，專業修養第一步：讀史。”
——燕翔
建築聲學的歷史是大衆集會和娛樂的歷史；是貴族人羣追求聽覺享受的歷史；是科學家們深刻認知感官世界的歷史；是藝術家們執着於聽覺藝術推動的歷史；也是千萬人置身其中機緣巧合的歷史。建築聲學與其說是一門博大精深的學科，不如說是感覺與外界、科學與藝術、技術與文化的辯證統一，她的歷史印證了人們在不斷理解自我感受的過程中，人與自然界、人與人、人與精神世界的相互作用。
建築聲學是圍繞建築中聽音問題和噪聲問題而展開的認識世界、理解世界進而改造世界的學問之一。眼、耳、鼻、舌、身無時無刻地向人們傳遞着視覺、聽覺、嗅覺、味覺等感覺，受想行識全在其內，喜怒我樂盡在其中。對耳所關聯的精神世界的求索，是推動建築聲學發展的源動力。
▌ 古代的實踐
非洲土著音樂之所以節奏感強，其重要原因之一是，在廣闊的野外演奏需要這樣做。歐洲古典音樂悠揚而舒緩，這與在劇場內演出有密切的關係。中國古代演出場地多爲有頂而無牆的“亭子”，似乎介於非洲與歐洲之間，中國戲曲的節奏感也是介於兩者之間，必定也受到了古戲臺的影響。聰明的古人通過長期實踐適應了音效與環境的平衡，在聲學方面的成就值得我們敬畏。
古羅馬埃皮達羅斯露天劇場
古羅馬埃皮達羅斯露天劇場（Theaterat Epidauros），建於公元前300年前，觀衆達17000人。爲了使觀衆儘可能地靠近舞臺，將觀衆席佈置成升起很大的半圓形，提高了聽聞效果。另外，演員使用面具來誇張面部表情，同時增加了向觀衆席的聲輔射。表演區的上方及兩側建了傾斜的牆面，對於聲音反射、提高語言清晰度有很大的好處。另外，古代室外背景噪聲很低，全場觀衆靜息而鴉雀無聲時，表演者即使很微弱的聲音也依然容易聽清。
公元1世紀，維特魯威在《建築十書》中描述了露天劇場觀衆區設置多個聲甕，即敞口大罈子，用於“聚拔聲音”，還對聲甕不同共鳴音調、位置及佈局做了詳細的介紹；現代聲學研究認爲，聲替對幹古羅馬露天劇場聲學效果的貢獻並不大，僅起到一點點儲能器的作用，但是卻對後來建築音效設計產生了極大的影響，甚至再1000多年後的歐洲教堂裏，還常見在牆壁上埋入向外開口的罈子，以期“提高聲音效果”。無論怎樣，現今仍然給與這一劇場高度的評價：“依靠山邊拖空的半圓形地形就座的方式以及建築的聲學效果，使得埃皮達羅斯劇場成爲公元前四世紀最偉大的建築成就之一。”
法國巴黎歌劇院
古希臘和古羅馬時期（約650BC-400AD）、早期基督時期（400-800）、羅馬風時期（約800-1100）、哥特及拜占庭時期（1100-1400）、文藝復興建築時期（1400-1600）、巴洛克時期（1600-1750）、及後來的古典主義時期等歐洲古代時期興建了衆多劇場，主要目的都是演出、集會或宗教活動。由於設計者對室內聲學知之甚少，聲學被神祕化。這些時代的音樂，包括教堂音樂、合唱曲、歌劇、交響樂等，都努力去適應當時普遍的廳堂聲學效果。巴赫的管風琴音樂（18世紀上半葉）是專門爲萊比錫（Leipzig）的托馬斯教堂（Thomas）所寫的。巴洛克和古典音樂（1600-1820），以海德爾、莫扎特、貝多芬爲代表，是專門爲貴族的舞廳而寫的（如法國里昂城市大廳）。
奧地利維也納金色音樂廳
意大利歌劇，以多尼采蒂（Donizetti），羅西尼，威爾第等爲代表，是專門爲米蘭、倫敦、巴黎、維也納、紐約等大型馬蹄型劇院而寫的（如法國巴黎歌劇院）。浪漫主義時期（19世紀）的作曲家，門德爾松、勃拉姆斯、李斯特、德彪西、柴科夫斯基等，腦海中則只有維也納、萊比錫、格拉斯哥、巴塞爾的音樂廳，其中傑出代表是奧地利的維也納金色音樂廳。
巴黎歌劇院的設計者沙爾勒·加尼葉（Charles Garnier，1825-1898）反映了古代建築師對聲學的認識，他說：“我必須聲明我沒有采用任何原則，沒有任何聲學理論，其成功或失敗，我聽天由命。”據稱，20世紀之前，唯一一個設計中考慮了建築聲學的廳堂，是位子德國拜羅伊特瓦格納節日歌劇院（Bayreuth Wagner Festival），聲學效果一般，建於1876年，具體如何考慮的，後續記載不得而知。
相傳孔子當年講學的杏壇
中國古代先賢們在建築聲學方面的實踐與歐洲截然不同。公元前700多年的春秋時期，孔子曾在曲阜的杏壇講學，如下圖是其場景描畫及現今在原址上覆建的杏壇講堂。繪畫中描繪是露天講學，筆者更傾向於曲阜復建的杏壇，應是有頂的，至少遮陽避雨，另外面對聲反射也有好處。但是，可以肯定的是，當時孔子是不會考慮建築聲學的，孔子倡導“君子遠庖廚”，他認爲技術是“奇技淫巧”，使孔子和他的弟子們不可能與負責建造杏壇的下等工匠們探討聲音問題，最多監理一下是否符合禮數祖制而己。傳說孔子“弟子三千，賢者七十有二”，就杏壇的建築聲學效果來講，同時聽講的弟子最多不超過100人。
銅雀臺假想復原圖
漢代曹操所建銅雀臺，雖是當時歡慶勝利之用的表演中心，估計建築與杏壇基本是同一套路，即有頂無牆的“亭子”，可能有兩或三層，是曹操觀看歌舞表演的場所，良好的聲學效果基本無從談起，杜牧《赤壁》詩中寫到“東風不與周郎便，銅雀春深鎖二喬”，可見銅雀臺僅爲曹操私人會所，觀衆應是很少的，不需要大範圍傳聲。孔子的儒家思想漠視科學技術，造成五四運動前幾千年的講壇、樓臺、戲樓等集會觀演建築場所均缺乏建築聲學考慮。其實，儒家思想至今依然影響巨大。
山西臨汾牛王廟古戲臺（位子山西臨汾市西北25公里魏村），興建子金代，是中國古戲臺的最重要代表之一，距今約1000年。位子北京故宮的紫禁城漱芳齋戲臺是清代修建的豪華皇家戲臺，距今約200年。從兩個戲臺可以看到強烈的杏壇身影。孔子講學的時候，他的音量、語調、節奏必須有迎合杏壇建築聲學效果的考慮，否則難以傳遞語言信息，而其後近2000多年裏，受到禮教的束縛，沒有人去改變這種聲環境，而是不斷改變自己，創造各種各樣有利子迎合這種聲環境的講法、唱法和演奏方法。
唐五代名畫“韓熙載夜宴圖”
中國古代也有大量室內表演，如敦煌莫高窟172窟描繪的“西方淨土變”（“變”是梵意，有美術畫的意思），以及唐五代名畫“韓熙載夜宴圖”和明崇禎本《金瓶梅詞話》中插圖。由於這些表演都是爲王公貴族服務的，觀衆數量很少，距離演出者很近，建築聲學的問題表現得不突出。
明代姚廣孝的吸聲降噪房
雖然中國古代沒有現代意義的建築聲學，但是聰明智慧的中國人仍然掌握着諸多建築聲學知識。明代《長物志》記載，琴師爲了增強演奏效果，地下埋一大缸，缸裏還放一口銅鐘，形成特大共鳴箱。明永樂皇帝朱棣還是燕王的時候，爲了日後起兵奪權，在後花園祕密建地下室“私鑄兵器”，爲防止聲音外傳泄密，其謀臣姚廣孝採用在牆壁上埋入大量的開口向室內的甕罐進行吸聲降噪，翁起到了亥姆霍茲共振吸收器的作用。
另外山西運城普救寺鶯鶯塔、河南洛陽白馬寺的齊雲塔、內蒙巴林右旗遼代白塔的“蛙鳴現象”，即正對塔拍手說話可聽到多次重疊的聲音，象似蛙鳴，原因是多層挑檐形成的聲反射；還有北京天壇迴音壁、三音石和圓丘的特別建築形式形成了特殊的聲音反射現象。迴音壁直徑65米，可使微弱的聲音沿壁傳播一二百米，在皇彎宇的臺階前三音石可以聽到幾次回聲。古人如此奇妙的聲學效果，應該是出自經驗之手精心設計的，嚴格符合聲學原理。這些都是中國古人的創造，也成爲建築聲學發展歷史的一部分。
古代時期尚無機械工業，交通主要以馬車代步，房屋內也沒有任何現代化設備，所以噪聲問題不突出。有人分析過《紅樓夢》，書中最全面、最豐富地描繪了清朝約200年前的當時社會，關於聲音總共出現2萬多次，與噪聲相關的主要是馬車、馬叫聲等，不過才60多次，而且作者曹雪拜未對其有任何“噪”的評價，說明古代生活要比現代安靜得多。
不過在古時候歐洲城市中，由於居住區密度大，街道路面不平，鐵輪子的馬車駛過石板的街道，噪聲使街旁的住戶徹夜難眠。中世紀英國國王禁止丈夫在夜晚打罵妻子，並非尊重婦女之舉，而是防止哭鬧聲打擾四鄰，這也許是最早通過立法進行噪聲防治的案例了。唐人李羣玉有一首《石灌》的詩，“古岸陶爲器，高林盡一焚。焰紅湘浦口，煙油洞庭雲。
田野煤飛亂，遙空爆響聞。地形穿鑿勢，恐到祝融墳”，其中“田野煤飛亂，遙空爆響聞”之句，生動地描繪了當時手工製陶、採煤、開礦等的作業時，所形成噪聲污染的情景。
鶯鶯塔蛙鳴現象原理
▌ 近現代的發展
近代建築聲學的創立源自子社會發展的需要和劃時代人物的出現。中世紀的教堂，因空間大、石材牆面多、室內聲音聽不清楚。文藝復興時期意大利建造的大型劇場，聲學缺陷相當普遍。隨着十九世紀興起的工業化與城市化進程，大型集會增多，建築體量更大了，聲學問題更加明顯地反映出來。
意大利米蘭大教堂容積達2萬多立方米，大理石材質，室內混響時間長達8秒，根本無法演講。19世紀初，德國人弗裏德利克•察拉迪（E.F. Freidrich Chloudi）對室內混響現象進行了研究，並編著《聲學》。德國物理學家亥姆霍茲於1862年發表了偉大著作《音的感知》，較爲系統地論述了聲音物理現象和聽覺現象。
建築聲學創始人：賽賓
1877年，英國物理學家威廉•瑞利（Lord John William Royleigh，1842-1919年）發表鉅著《聲學原理》，物理聲學理論已達到極高的水平。但是，一方面，因爲無人請這些科學家參與建築工程，即使有請，當時的科學家們也尚無完備的處理材料、工藝、施工等工程實踐能力；另一方面，雖然有成功劇場的先例，但是因對音質與建築關係認識的模糊性，沒有量化的定義和確切的計算方法，點滴的經驗不具備可操作性，也無法傳承。那時，建築聲學正處於接近黎明的黑暗期。
弗格藝術博物館
1895年，哈佛大學弗格藝術博物館（Fogg Art Museum）講演廳落成，因聽不清而不能使用。哈佛大學校長埃利奧特（Charles W.Eliot，1834-1926年）委託物理學系27歲的助教W.C.賽賓（Wallclce Clement Sabine，1868-1919年）解決這一問題。
據說，賽賓在將近40個不同容積的房子裏進行了實驗研究，對比了聲效極佳的桑德爾斯劇院、聲效一般的傑弗遜大廳講演室和聲效極差的弗格講演廳，發現坐椅塾具有吸收聲能的效果，得到了經驗公式——賽賓公式，提出了混響時間和吸聲的概念，找到了過長的混響時間是影響語言清晰度的原因，總結出混響時間與房間容積成正比、與吸聲量成反比的重要結論。
賽賓和建築工程師一起進駐弗格演講廳開始施工，從那一刻起，建築聲學從黑暗中一步跨進了科學的殿堂。解決了哈佛大學的問題後，賽賓名聲鵲起，隨即被邀請進行的波士頓音樂廳的聲學設計，該大廳優良的音質至今仍爲全世界稱道。
美國波士頓音樂廳
建築聲學理論體系建立以後，房間聲學研究更加深入，在歐美也帶動了大量的音質工程實踐。繼賽賓之後，在美國MIT大學又湧現出三位聲學泰斗，分別是波特、白瑞納克和紐曼，他們3人子1948年在美國麻省的劍橋成立了以三人名字命名的BBN聲學諮詢公司。
BBN公司承接了美國航天局風洞（Wind Tunnel，NACA）消聲工程，是50年代美國最大的噪聲控制工程，以及肯尼迪中心劇場（相當於美國國家大劇院）聲學設計等衆多項目，併爲MIT開設相關聲學課程培養研究生，撰寫了至今依然影響力很大的書籍或論文。18-19世紀的自然科學的發展推動了理論聲學的發展，19世紀末古典理論聲學發展到最高峯。
從20世紀開始，由於電子管的出現和放大器的應用，使非常微小的聲學量的測量得以實現，爲現代建築聲學的進一步發展開闢了道路。20世紀初至中期，尤其是第二次世界大戰後，廣播錄音和電影配音的飛速發展，更大更快地刺激了美國建築聲學在實際工程中的運用，同時，由於行外人對建築聲學的神祕感，也爲建築聲學工程師們提供了豐厚的經濟回報。
BBN在MIT大學門口蓋起了BBN大樓，還爲MIT的研究生們提供免費研究室。被譽爲互聯網之父的裏克里德（Licklider），1957-1962年就曾經在BBN工作過，他勸說白瑞納克爲他購買了一臺在當時天價的計算機，5萬美元，他用這臺計算機建立了世界上第一個網絡節點，可見BBN當時的財力非常豐厚。
澳大利亞悉尼歌劇院（外景圖）
與美國建築聲學大發展同時，德國、英國、法國、丹麥、瑞典、澳大利亞等國家的建築聲學研究和實踐也在快速推進。德國室內聲學家庫特魯夫（H.Kuttruff）、德國哥庭根大學的施羅德（Shrodler）、澳大利亞的馬歇爾（Marcel）、日本的安騰四一（Y.Ando）、中國的馬大猷等人在室內聲學及噪聲控制理論方面，作出了突出的貢獻。
丹麥科技大學聲學所、英國利物浦大學聲學所、丹麥的B&K公司在建築聲學應用及測量方面，也發展到很高水平。近百年來，在全世界各地興建了劇場、劇院、音樂廳以及講堂、會堂等數以千計的聲學建築，不乏有美國達拉斯音樂廳、悉尼歌劇院等近現代建築史上輝煌的建築作品，其中，建築聲學理論的“保駕護航”起到了不可磨滅的歷史作用。
澳大利亞悉尼歌劇院（內部圖）
最早將建築聲學引入中國的是清華大學物理系創始人葉企孫先生。1920年3月，由美國建築師亨利•墨菲（Henry Killam Murphy，1877-1954年）設計的清華大禮堂落成，建築形式融合了古希臘和古羅馬的建築風格，座席1400個，是當時中國大學中最大的禮堂兼講堂。圓形的天穹和光滑的石材牆，使室內聽音非常困難。聲學改造的需要隨之而來，但不同意見“七嘴八舌”，有說是穹頂造成的，有說地板要抬高，有說室內牆壁直角阻斷聲音等等。
清華大學標誌之一：大禮堂
時任校長梅始琉委託葉企孫先生帶領物理系教員解決此事，葉企孫先生也希望籍此事聲學工程研究開始了。葉先生當時已經看到過賽賓關於混響理論的論文，在考慮中國人着裝特點的基礎上，他認爲，需要在牆面和頂棚安裝足夠的吸聲材料將混響時間降到1.75秒。那時他沒有精確的測試儀器，只能粗估。
通過實驗室測試，葉先生認爲可採用羊毛氈作爲吸聲材料。在清華大學校史中，葉先生的研究有詳細記載，但未見有實施記載，估計可能的原因是粘貼吸聲氈破壞了建築風格，以及時局動盪使工程擱淺，還有最重要的一點的即使什麼都不做，也能將就使用。這一將就，就一直將就到了今天。
據說當時校長開會，批評臺下教師打睦睡，實際是聽不清的原因。後來擴聲系統更換了多次，起到了一點聽音彌補的作用，但建築聲學處理尚非常有限。
清華大學大禮堂結構圖
1949年建國以後，留學歸來的聲學專家馬大猷先生，組織進行了人民大會堂的聲學設計，容納1萬人的空間是世界上最大的禮堂了，其中的建築聲學問題非常突出，馬先生利用建聲和擴聲互補的方法，很好地解決了上萬人的聽音問題，在當時是了不起的成就。馬先生還爲國家培養了一批聲學專家，至今很多人仍在學術或工程舞臺上十分活躍。進入機器時代以後，交通噪聲、工業噪聲日趨嚴重，噪聲控制技術、聲學材料、減振降噪手段也隨之快速地發展起來，1953年在美國出版的《操聲控制手冊》（Hand book of Acoustic Noise Control）已經具有相當高的理論水平。
人民大會堂，上萬人“聽”是當時的難題
但是很快人們就發現，先進的噪聲控制技術井不能徹底解決噪聲問題，治理噪聲的根本途徑在子“立法”，立法的根基是評價標準。當時，世界範圍內的聲學學會已經建立，其重要的工作之一即制定噪聲標準，爲噪聲防治提供法律依據。
例如，60年代美國飛機場噪聲是很令人頭痛的問題，單純地在建築上進行隔聲處理難於奏效。後來通過立法，規定飛機自身的噪聲限值、要求起飛降落執行減噪飛行程序，限制在噪聲影響區內的土地開發等，70、80年代大大地緩解了飛機噪聲問題。
常常，噪聲還與政治聯繫在一起，如60年代中國和前蘇聯爲了體現社會主義制度的優越性，制定工廠噪聲衛生標準限值爲不大於85dB（A）比西方資本王義國家要求的90dB（A）還嚴格5dB。但是，在當時“先生產、後生活”的理念下，機械廠、紡織廠、礦山、油田等單位很少有真正噪聲達標的。
▌ 二十一世紀的新認識
至今，人們已經發現了衆多與廳堂音質相關的客觀指標，使建築聲學設計有理論指導可遵循：賽賓發現了混響時間，指出聽音效果與室內聲能衰變的關係；哈斯發現了哈斯效應，使人們認識到回聲的來源是強的長延時聲反射；白瑞納克發現了近次反射聲，提出直達聲到達後50ms內的反射聲有利於聲音的“親切感”；庫特魯夫總結了脈衝聲響應的概念，人們對聲音在房間中反射的認識更進一步；施羅德發現了散射對音質效果的重要作用；馬歇爾發現了側向聲能所代表的空間感；安騰發現雙耳效應因子lACC。
巴倫發現視在聲源寬度指標ASW對聽音圍繞感的影響。另外，強度因子G、時間中心Ts、早期衰變時間EDT、明晰度C80、語言傳輸指數STI/RASTI，輔音損失指數ALCONS、初始時延間隙ITDG、表面散射指數SDI、混響低音比BR等大量指標也不斷被發現和研究。
同時，吸聲材料、隔聲材料、減振材料、消聲器等也飛速地發展起來並大量應用，各種精密的實驗儀器、實驗室、實驗方法也被不斷開發出來。最值得一提的是50年代出現的縮尺比例模型測試和80年代發展起來的計算模擬技術使建築聲學手段與現代高科技水平同步。
縮尺比例模型測試
計算機模擬測試
近百年來的發展中，世界範圍的大量實踐，也使有識之士認識到，建築聲學“與其說是技術，不如說是藝術”。雖然已有上萬篇技術文獻發表，其中不乏大量有深入的、劃時代的精品，但是在解決實際建築聲學問題中，這些嚴謹的聲學原理總有無法完全覆蓋的現實細節。19世紀60年代，白瑞納克先生已經是世界上鼎鼎有名的聲學專家了，他對世界上69個著名廳堂進行了聲學研究，井撰寫了知名鉅著《音樂、聲學和建築》，將賽賓開創的建築聲學發展到“廣泛實用”的階段。
然而，恰恰在這一歷史時期，專家們雖自認爲已經“登峯造極”，但“嚴格遵照理論”設計的紐約林肯中心的愛樂（Philharmonic）音樂廳出現了“低頻缺乏問題”，後來，經過十數年的研究，人們才發現，是由於浮雲反射板低頻反射不足凸顯了座椅低谷效應造成的。此事被譽爲“建築聲學史上偉大的失敗”，人們認識到建築聲學還很原始，還有很多問題要探索，“從猿到人”還將有漫長坎坷的歷史要經歷。
北京音樂廳
1985年，國內第一個嚴格進行聲學設計的北京音樂廳落成，使用中發現低頻混響不足，並在國內聲學界引起普遍爭論。多年後的統一意見是，牆壁上木板裝修在施工中未與混凝土密實粘接，造成了大量低頻吸收，降低了低頻混響，這井非聲學設計的失誤，而是施工控制的網題。
有識之士應認識到，無論任何細節導致廳堂聲學失敗，結論只有一個，聲學設計者失敗了，因爲你沒有預測到導致失敗的這一因素，未對其進行應有的、合理的有效控制。
任何大廳中的演出帶來的那種美妙的感受往往都會稍縱即逝。這種美妙的感覺如果能夠不斷在這個大廳中重現並獲得交口稱讚，那麼這個大廳就會聲名遠揚。這當然是所有人的夢想，音樂家們渴望在這祥的音樂廳裏表演，經理們渴望擁有這樣的音樂廳進行經營，建築師渴望這樣的音樂廳是自己建造的。
如果廳堂的聲學參量超出客觀預測和測量的允許值的範圍，往往不會有優良的音質。但是，即使設計實現了良好的聲學指標，“好音質”也不一定就此產生。美，需要量化和原則，需要悟性和理解，還需要機遇和緣分。
與廳堂音質問題相比，噪聲控制目標似乎要容易一些，“把聲音降低到最低，最好完全聽不見”。然而問題遠非那麼簡單，工業時代爲人類提供了便利，同時也帶來了污染，噪聲就是其中之一。一百年來，噪聲控制技術雖然“與時俱進”，然而依然跑不贏人對自然改造的速度，城市的居住區和遍佈世界的工業區再也回不到一百年前那種樸素、靜謐、天人合一的安靜環境了。
飛機、火車、汽車、輪渡在我們周圍咆哮着，發電機、內燃機、壓縮機、風機、電機在我們左右轟鳴着，高音棚喇叭、市井的燈紅酒綠在我們眼前喧囂着，我們是在享受這些現代化設施的便利呢，還是在忍受它們對祖先遺傳給我們的“安靜基因”的破壞？
在工程實踐中人們很快發現，用dB表述的噪聲和人對安靜需求之間並沒有永恆不變的絕對對應關係。不同人之間或同一人在不同場合，對噪聲的容忍程度的範圍是如此之大。例如，臥室內有輕微響聲就無法安睡的人，在出差的火車或飛機上也能安然入睡。
噪聲問題是人造成的，噪聲控制效果的最終評價者也是人，噪聲控制技術的實施還是人，噪聲問題中人的因素與廳堂音質評價體系的“以人爲本”殊途同歸。筆者認爲，甚至比集成電路、光纖通訊、納米技術、宇宙探索等高科技問題更富有複雜性和趣昧性。
當前的中國，經濟的發展釋放了人們對建築聲學的需求。在建築市場持續升溫的大背景下，在“一部分先富起來”跨越式生活水平提高的推動下，在城市建設“三大名片”（大劇院、體育中心、會展中心）的建設帶動下，在所有制“個人化”後人們對自身環境要求大幅度提高的促進下，在《噪聲污染防治法》等相關法律法規執行力度不斷深化的要求下，建築聲學的需求就象“開了鍋”一樣，全國上下，遍地開花。
音樂廳、劇場、影院、演播室、錄音室等，音質效果需要建築聲學；體育館、會展中心、賓館酒店、機場車站等，吸聲處理需要建築聲學；住宅、學校、醫院、辦公建築等，隔聲降噪需要建築聲學；電廠、水泥廠、化工廠、製造廠等，勞保環保問題需要建築聲學；就連學術上“不入流”的Disco、酒吧、卡拉OK、表演秀場也因噪聲擾民或室內音質問題黏上了建築聲學。中國的建築聲學，正處於史無前例的大發展期。
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