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科学家开始建立我们星球的高精度数字孪生
苏黎世联邦理工学院 Simone Ulmer地球的数字孪生系统将以高分辨率对地球系统进行全面模拟,并作为例如指导适应气候变化措施的基础。信用:ESA我们星球的数字孪生子将在未来模拟地球系统。它旨在支持决策者采取适当措施,为极端事件做更好的准备。欧洲科学家和苏黎世联邦理工学院计算机科学家撰写的新战略文件显示了如何实现这一目标。为了在2050年之前实现气候中和,欧盟启动了两个雄心勃勃的计划:绿色交易和DigitalStrategy。作为其成功实施的关键组成部分,气候科学家和计算机科学家发起了“目的地地球”倡议,该倡议将于2021年中期开始,预计持续长达十年。在此期间,将创建一个高度精确的地球数字模型,即地球的数字孪生模型,以尽可能准确地绘制气候发展和极端事件的时空图。观测数据将被不断地整合到数字孪生中,以使数字地球模型更准确地用于监视演化并预测可能的未来轨迹。但是除了常规用于天气和气候模拟的观测数据外,研究人员还希望将有关人类活动的新数据整合到模型中。新的地球系统模型实际上将尽可能真实地表示地球表面上的所有过程,包括人类对水,食物和能源管理的影响以及物理地球系统中的过程。决策信息系统地球的数字孪生系统旨在成为一个信息系统,该系统可以开发和测试场景,这些场景可以显示出更多的可持续发展,从而更好地为政策提供信息。彼得·鲍尔(Peter Bauer)说:“例如,如果您打算在荷兰规划一个两米高的堤防,我可以浏览我的数字双胞胎中的数据,并检查堤防是否有可能仍能抵御2050年的预期极端事件。”是欧洲中距离天气预报中心(ECMWF)的研究副主任,也是目的地地球的共同发起人。数字孪生还将用于淡水和粮食供应或风电场和太阳能发电厂的战略规划。目的地地球背后的驱动力是ECMWF,欧洲航天局(ESA)和欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)。鲍尔与其他科学家一起推动着地球数字孪生的气候科学和气象方面的发展,但他们也依靠苏黎世联邦理工学院和瑞士国家超级计算中心(CSCS)的计算机科学家的专业知识,即ETH教授Torsten Hoefler ,来自高性能计算系统研究所,以及CSCS主任Thomas Schulthess。为了在数字革命中迈出重要一步,鲍尔强调了将地球科学与计算机科学相结合的必要性。在最近的《自然计算科学》杂志上,来自地球和计算机科学领域的研究人员团队讨论了他们希望采用哪些具体措施来推进“地球系统科学的数字革命”,他们在其中看到了挑战以及可能的解决方案能够被找到的。天气和气候模型为基础在他们的论文中,研究人员回顾了自1940年代以来天气模型的稳定发展,这是一个悄悄发生的成功故事。可以说,气象学家开创了在世界上最大的计算机上对物理过程进行模拟的过程。作为物理学家和计算机科学家,CSCS的Schulthess坚信,当今的天气和气候模型非常适合为更多的科学学科确定如何有效使用超级计算机的全新方式。过去,天气和气候建模使用不同的方法来模拟地球系统。尽管气候模型代表了非常广泛的物理过程集,但它们通常会忽略小规模的过程,但是,这对于更精确的天气预报至关重要,而天气预报又将重点放在更少的过程上。数字孪生将把这两个领域融合在一起,并能够进行高分辨率模拟,描绘整个地球系统的复杂过程。但是,为了实现这一点,必须将仿真程序的代码适配于有望大大提高计算能力的新技术。利用当今可用的计算机和算法,很难以计划的一公里的极高分辨率执行高度复杂的仿真,因为数十年来,从计算机科学的角度来看,代码开发一直处于停滞状态。气候研究得益于能够通过新一代处理器获得更高性能而不必从根本上改变其程序的方法。每一代新处理器的这种免费性能提升大约在10年前就已停止。结果,当今的程序通常只能利用常规处理器(CPU)峰值性能的5%。为了实现必要的改进,作者强调了协同设计的需要,即同时进行并同时开发硬件和算法,正如CSCS在过去十年中成功展示的那样。他们建议特别注意通用数据结构,要计算的网格的优化空间离散化和时间步长的优化。科学家们还建议将用于解决科学问题的代码与在相应系统体系结构上最佳执行计算的代码分开。这种更灵活的程序结构将允许更快,更有效地切换到未来的体系结构。从人工智能中获利作者还看到了人工智能(AI)的巨大潜力。例如,它可用于数据同化或观察数据处理,模型中不确定物理过程的表示以及数据压缩。因此,AI可以加快仿真速度并从大量数据中筛选出最重要的信息。此外,研究人员认为,使用机器学习不仅可以使计算效率更高,而且可以帮助更准确地描述物理过程。科学家将他们的策略文件视为通往地球数字双胞胎的起点。在当今可用的计算机体系结构以及不久的将来预期的计算机体系结构中,基于图形处理单元(GPU)的超级计算机似乎是最有前途的选择。研究人员估计,要全面运行数字孪生系统,将需要一个带有约20,000个GPU的系统,消耗的功率估计为20MW。出于经济和生态方面的原因,这种计算机应在有足够CO 2中性发电量的位置操作。点击:查看更多其他分类文章查看更多生物学文章使用文章翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-02-25 16:25:56
北冰洋被冰层覆盖,并充满淡水
由 阿尔弗雷德·韦格纳研究所在海平面低的冰川时期,与太平洋的交换被停止了,与北大西洋的交换被大大减少了,而北极盆地仍在接受淡水输入。交换只能通过格陵兰-苏格兰-里奇的狭窄网关进行。三个草图的顺序显示:(1)北冰洋的一段新鲜期,然后(2)当盐水进入北冰洋时,淡水释放到北大西洋,以及(3)北极冰盖突然融化。与相对温暖和咸的大西洋水接触。图片来源:阿尔弗雷德·韦格纳研究所/马丁·昆斯汀在过去的15万年中,北冰洋被厚达900米的架子冰覆盖着,并且至少两次充满了淡水。最新一期《自然》杂志报道了这一令人惊讶的发现是Alfred Wegener研究所和MARUM的科学家进行长期研究的结果。通过对海洋沉积物的成分进行详细分析,科学家可以证明北冰洋以及北欧海至少在两个冰期没有海盐。取而代之的是,在厚厚的冰盾下,这些海洋充满了大量的淡水。然后,这些水可以在很短的时间内释放到北大西洋。如此突然的淡水输入可以解释气候的快速波动,而此前却没有找到令人满意的解释。大约在60,000到70,000年前,在上一个冰川期的一个特别寒冷的时期,北欧和北美的大部分地区都被冰盖覆盖。从爱尔兰和苏格兰经过斯堪的纳维亚半岛到卡拉海(北冰洋)的东缘,欧洲的冰盖跨越了5000多公里。在北美,现在被称为加拿大的大部分地区被埋在两个大冰盖下。格陵兰岛和白令海海岸线的部分地区也被冰川化。北冰洋北面的冰情如何?它被厚厚的海冰覆盖了,还是漂浮在这些巨大冰原的舌头上,远远超出了北极?到目前为止,对这些问题的科学答案或多或少都是假设的。与陆地上的沉积物相反,不稳定的巨石,葡萄树和冰川谷是冰川的明显地标,迄今为止,在北冰洋只有很少的巨大冰架痕迹。不来梅大学阿尔弗雷德·韦格纳研究所亥姆霍兹极地和海洋研究中心(AWI)和MARUM海洋环境科学中心的地球科学家现在已经收集了北冰洋和北欧海洋的现有证据,并将其与新数据结合起来一个令人惊讶的结论。根据他们的研究,过去15万年来,北冰盖的漂浮部分覆盖了北冰洋的大部分地区。大约在70,000-60,000年前以及大约150,000-130,000年前。在这两个时期中,淡水在冰下蓄积,形成了数千年的完全新鲜的北冰洋。“这些结果意味着我们对冰川气候对北冰洋的了解发生了真正的变化。据我们所知,这是第一次考虑对北冰洋和北欧海进行全面更新,不仅一次,而且两次”的第一作者,阿尔弗雷德·韦格纳研究所(Alfred Wegener Institute)的地球化学家Walter Geibert博士说。沉积物中没有,因此一定没有盐水他们的发现基于对北冰洋,弗拉姆海峡和北欧海不同地区的十个沉积物岩心的地质分析。堆积的沉积物反映了过去冰川的气候历史。在调查和比较沉积物记录时,地球科学家发现,始终以相同的两个时间间隔缺少重要的指标。“在盐水中,天然铀的腐烂总是导致同位素the230的产生。该物质积聚在海底,由于其75,000年的半衰期,很长一段时间仍可被检测到”,Walter Geibert解释道。因此,地质学家经常使用这种or同位素作为天然时钟。“在这里,反复而广泛的缺席是向我们揭示发生了什么的赠品。根据我们的知识,对这种模式的唯一合理解释是,北冰洋在其较年轻的历史中两次被淡水充满-在冰冻和冰冻的环境中。液体形式”,也是来自AWI的合著者和微古生物学家Jutta Wollenburg博士解释说。北冰洋的新图景一个由多个海峡与北大西洋和太平洋相连的大海洋盆地怎么会变得完全新鲜?共同作者,地质学家Ruediger Stein教授说:“如果我们意识到在冰川期,全球海平面比今天低了130 m,并且北极的冰团可能进一步限制了海洋环流,那么这种情况是可以想象的。”在AWI和MARUM。诸如白令海峡或加拿大群岛的声音之类的浅层连接当时处于海平面之上,从而完全切断了与太平洋的连接。在北欧海域,延伸到海底的大型冰山或冰原限制了水团的交换。夏季的冰川,冰融化以及流入北冰洋的河流不断向该系统输送大量淡水,每年至少1200立方公里。这笔款项的一部分将被迫通过北欧海域,穿过格陵兰岛-苏格兰山脊中稀疏且较深的较深连接处进入北大西洋,从而阻碍了盐水向北渗透。这导致了北冰洋的新鲜化。沃尔特·吉伯特说:“一旦冰障机制失效,大量的盐水就会再次充满北冰洋。” “我们认为,这样一来,它便可以迅速取代较淡的淡水,从而导致将累积的淡水突然排放到北欧海的浅南边界格陵兰-苏格兰-里奇地区,进入北大西洋。”假设大量的淡水存储在北冰洋中并且可以快速释放,这将有助于理解过去一系列气候波动之间的联系。它还将为不同的过去海平面重建方法之间的明显差异提供解释。沃尔特·吉伯特解释说:“建议说,在某些寒冷时期,珊瑚礁的残骸表明其海平面要比南极冰芯的重建或小型海洋生物的钙质壳的重建高。” “如果我们现在接受,淡水不仅可能以固体形式储存在陆地上,而且其中一些还以液体形式储存在海洋中,从北冰洋释放的淡水也可能解释了上一个冰河时期某些突然的气候变化事件。在这样的事件中,格陵兰岛的温度在几年之内可能会上升8-10摄氏度,只是在几百年或数千年的过程中才恢复到原始的寒冷冰川温度。“我们在这里看到了地球系统过去的北极气候临界点的一个例子。现在我们需要更详细地研究这些过程是如何相互联系的,并评估北冰洋这一新概念如何帮助缩小我们的知识差距。 ,特别是考虑到人为气候变化的风险,” Walter Geibert说。 点击:查看更多其他分类文章 查看更多生物学文章 查看更多医学文章免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-02-06 16:50:00
新型生物传感器可快速检测冠状病毒蛋白和抗体
由 华盛顿大学新的生物传感器与目标分子结合并发光的插图。生物传感器的创建是由UW蛋白质设计医学研究所领导的。图片来源:Ian Haydon /西澳大学医学院的蛋白质设计科学家创造了一种新的方法来检测构成大流行冠状病毒的蛋白质以及针对大流行冠状病毒的抗体。他们设计了基于蛋白质的生物传感器,当与病毒成分或特定的COVID-19抗体混合时会发光。这一突破可以在不久的将来实现更快,更广泛的测试。该研究发表在《自然》上。今天,要诊断冠状病毒感染,大多数医学实验室都依赖一种称为RT-PCR的技术,该技术可放大病毒的遗传物质,以便可以看到它。此技术需要专门的人员和设备。它还消耗了全球范围内需求旺盛的实验室用品。供应链短缺使美国及其他地区的COVID-19测试结果放慢了速度。为了直接检测患者样本中的冠状病毒而不需要进行基因扩增,由生物化学教授,西澳大学医学院蛋白质设计研究所所长戴维·贝克(David Baker)带领的一组研究人员使用计算机来设计新的生物传感器。这些基于蛋白质的设备识别病毒表面上的特定分子,与它们结合,然后通过生化反应发光。抗体测试可以揭示一个人过去是否患有过COVID-19。它被用来追踪大流行的蔓延,但是它也需要复杂的实验室用品和设备。Alfredo Quijano-Rubio在西雅图的UW医学蛋白质设计研究所进行研究。他领导了设计和测试新型发光生物传感器以检测冠状病毒蛋白和抗体的工作。对该模型生物传感器的未来修改也可能对检测癌症和传染病中其他临床上重要的分子有用。图片来源:Ian Haydon / UW蛋白设计研究所威斯康星大学同一研究小组还创造了与COVID-19抗体混合后会发光的生物传感器。他们表明,这些传感器对可能也存在于血液中的其他抗体(包括针对其他病毒的抗体)不产生反应。这种敏感性对于避免假阳性测试结果很重要。贝克说:“我们已经在实验室中证明了这些新型传感器可以很容易地检测到模拟鼻液或捐赠的血清中的病毒蛋白或抗体。这项工作说明了从头进行蛋白质设计的能力,可以从头开始创建具有新的有用功能的分子装置。”除COVID-19以外,研究小组还表明,可以设计类似的生物传感器来检测医学上相关的人类蛋白质,例如Her2(某些形式的乳腺癌的生物标志物和治疗靶标)和Bcl-2(对淋巴瘤和某些癌症具有临床意义)。其他癌症),以及针对乙肝病毒的细菌毒素和抗体。 点击:查看更多化学文章 查看更多生物学文章 查看更多冠状病毒类文章 使用双语译文文档翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-01-31 17:15:05
新技术从纳米颗粒构建超硬金属
布朗大学的 Kevin Stacey 得益于布朗大学研究人员开发的一项新技术,这种金制“硬币”是由纳米粒子构成的。用这种方法制造大块金属可以精确地确定金属的微观结构,从而增强其机械性能。学分:陈实验室/布朗大学冶金学家有各种方法可以使一大块金属变硬。他们可以弯曲,扭曲,在两个滚轴之间运行或用锤子敲打。这些方法通过破坏金属的晶粒结构(形成大量金属的微观晶域)而起作用。较小的晶粒可制成较硬的金属。现在,布朗大学的一组研究人员找到了一种从下至上自定义金属晶粒结构的方法。在《化学》杂志上发表的一篇论文中,研究人员展示了一种将单个金属纳米团簇粉碎在一起以形成固态宏观固态块的方法。对使用该技术制造的金属进行的机械测试表明,它们比天然金属结构坚硬多达四倍。布朗化学副教授,这项新研究的作者欧Chen说:“锤击和其他淬火方法都是改变晶粒结构的自上而下的方法,很难控制最终的晶粒尺寸” 。“我们要做的是创建纳米颗粒构造块,当您挤压它们时,它们会融合在一起。这样,我们就可以具有均匀的晶粒大小,可以精确地调整它们以增强性能。”对于这项研究,研究人员使用金,银,钯和其他金属的纳米粒子制成了
2021-01-26 19:54:51
切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(上)
切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响 通过:何塞·瓦尔迪兹·阿吉拉尔,塞萨尔·华雷斯·阿尔瓦拉多 ,何塞·M·门多萨·朗格尔和贝尔纳多·T·泰兰·托雷斯收到:2020年12月13日/修订:2021年1月5日/接受:2021年1月8日/发布:2021年1月18日 摘要:混凝土几乎没有抗拉强度,易开裂,导致使用寿命降低。因此,重要的是找到有助于减轻这些缺点的互补材料。这项研究的目的是通过研究四种缺口深度比0、0.08、0.16,通过分析和实验方法确定添加钢纤维对开裂后阶段纤维增强混凝土性能的影响。和0.33。使用普通混凝土(对照)和体积纤维分别为0.25%和0.50%的纤维增强混凝土,通过72次弯曲测试进行了评估。结果表明,缺口与深度之比最高为0.33的样品能够实现硬化行为。研究结果表明,即使还增加了切口深度比,剂量的增加也会导致残余性能的提高。关键词: 钢纤维增强的混凝土; 钩端钢纤维; 后开裂行为; 切口深度比;延性; 韧性; 断裂能1. 介绍由于其多功能性,可成型性以及其成分的广泛可用性,混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料[1-3]。但是,混凝土几乎没有抗拉强度,容易开裂,导致使用寿命降低,因为一旦开裂开始,混凝土就缺乏机械强度,突然失效[4-8]。因此,材料科学和混凝土技术一直在努力寻找一种可以减轻这些缺点的补充材料,一旦达到初次裂纹负荷,就可以提供防止完全断裂的能力。换句话说,他们正在努力寻找一种有助于改善应变容量和能量吸收的材料。这些材料之一是钢纤维。几项有关钢纤维的研究证明,混凝土的抗压强度仅有最小的提高[9-13]。但是,在抗拉强度测试[14-16]上已对性能产生了很大的影响,而在冲击载荷和残余强度测试上则更显着[17-20]。钢纤维适合于增强混凝土,因为它们提供了能量消散机制,并且比普通混凝土更有效地控制了残余阶段的裂纹扩展。后者是使用这种增强材料的主要优点之一。但是,由于有效的混凝土面积,其他特性也会受到影响,例如,纤维的残余性能,这是应力通过纤维与水泥基体之间形成的键传递的主要因素之一[21]。 残余性能的研究可以通过带有受控裂纹的缺口试样来进行,从中获得代表性数据,并且其分散系数小于未缺口试样的分散系数[22,23]。据报道,使用钢纤维增强混凝土(SFRC)有几个优势,例如,降低成本和改善结构质量,主要是在裂缝控制和循环荷载下[24]。一些作者集中研究了埋入普通混凝土和钢纤维增强混凝土纽带中的钢筋的拉伸刚度效应,改变了主要参数,例如纤维体积,最大骨料尺寸和钢筋直径,观察钢纤维混凝土在控制钢筋混凝土结构裂缝模式中的有效性[25]。另一方面,据报道,随着钢纤维的加入,弯曲裂纹的宽度明显减小,而随着钢纤维的加入,第一裂纹载荷和最大载荷也增加了[26]。其他对其他类型纤维的研究,即聚丙烯纤维(PFRC),发现断裂能较高,这是因为PFRC裂解后性能与纤维分布和取向之间有很强的依赖性[27]。关于表征纤维增强混凝土的弯曲试验,发现试样的破坏模式受其跨深比的影响。这意味着它的失效模式是由剪切或弯曲控制的[28]。对于残余强度评估,国际规范和标准已建议对中跨槽口的梁试样进行三点弯曲试验,以通过将槽口深度比(即a /d)确定为0.16 [20]来控制裂纹的发展。 ]。在这项研究中,通过添加两种剂量的钢纤维,一种20 kg / m3(0.25%)(系列1),另一种40倍的钢纤维,研究了缺口深度比对纤维增强混凝土的影响。 kg / m3(0.50%)(系列2),在150毫米×150毫米×600毫米的棱柱形试样上经受弯曲张力(即三点弯曲试验)的试样中。通过在试样的[15,17,18,29]中形成13、25和50 mm的缺口,可以控制裂纹的产生,从而使缺口与深度的比率(a /d)为0.08、0.16,和0.33。本文研究的目的是通过计算特征残余应力来研究对钢纤维残余性能的影响,混凝土面积的减少以及对残余强度的分类,从而确定钢纤维的强度。裂纹的扩大和向缩小的混凝土区域的传播。本研究的新颖之处在于确定缺口深度比(a / d)小于0.16的纤维增强混凝土的残余性能。这与文献中的其他研究不同,后者考虑了更大的陷波深度比。考虑较低的比率可以研究断裂后的行为以及在断裂过程区域中比标准更大的断裂能量。2.理论方面为了理解(a / d)比的影响,有必要提及混凝土中非线性断裂力学的一些概念。一般而言,断裂力学被定义为具有很大实用性的失效理论,因为它利用了高能准则,该准则与强度准则一起考虑了裂纹在结构中的传播[30]。但是,尽管有其实用性,但已发现,混凝土的性能并不能通过线性弹性断裂力学(LEFM)来定义,因为混凝土会形成较大的断裂加工区(FPZ),可承受由于软化而引起的渐进破坏由微裂纹引起的。这导致裂纹尖端释放的能量流减少;同时,裂纹的组合表面积增加,从而提高了断裂过程区(FPZ)的能量吸收能力,因此,要了解混凝土的性能,必须详细阐述非线性断裂力学[ 30]。非线性断裂力学是更好地描述混凝土行为的理论之一。非线性断裂力学是对固体裂纹的研究,该裂纹在自然界中表现出非线性的本构响应,这与考虑了几何和材料线性的LEFM相反[31]。根据所施加的载荷,建筑材料可以表现出几种行为。一些材料几乎没有表现出变形能力或没有变形能力,因此被认为是易碎材料。相反,存在被认为是延性的材料。混凝土是一种特殊情况,因为其行为不能完全表征为易碎品,因为它更可能被描述为准易碎材料。在出现第一个裂纹(应变硬化)后,混凝土显示出拉伸应力的逐渐衰减(应变软化),无论拉伸强度有无改善。因此,总的来说,失败可以不屈服[32,33]出现。要考虑的另一个重要方面是能量吸收的能力,它是通过载荷位移或载荷裂纹打开曲线下的面积获得的。考虑能量吸收是必要的,尤其是在动态载荷下,因为它决定了结构的延展性。在易碎材料中,没有FPZ时,弹性能作为表观能量消散。同时,在易延展材料中,FPZ是可耗散大量能量的塑料区,其能量大于表层能量。对于准易碎材料(例如混凝土),FPZ通常大于易碎材料或易碎材料的区域[34,35],并在破坏前耗散大量能量,从而提供了开裂后的非线性响应(软化) [32]。在确定的体积分数下向混凝土中添加钢纤维可改善延展性并增加FPZ的初始宽度,结果是由于纤维的提取而扩大了区域[36] ]。随机分布的钢纤维在基体开裂后,通过延迟裂纹的形成,限制其生长并减小裂纹尖端的开度位移,显示出最重要的作用,因为纤维通过一种方法抑制了裂纹。提取过程中的桥联机制[37,38]。以同样的方式,钢纤维的使用大大提高了能量吸收和延展性[39]。值得一提的是,混凝土的脆性行为与其抗压强度的增加成正比,而添加钢纤维有助于消除这种脆性,从而导致生产出具有改善的拉伸强度,延展性和抗拉强度的材料。韧性[40,41]。与普通混凝土相比,这种材料显示出延伸的软化分支,其特征在于显着的拉伸残余强度和更高的断裂能[9],后者是衡量准易碎材料断裂过程的主要成分。3.材料和方法为了进行这项研究,共生产了4种普通混凝土混合物,每种所使用的缺口与深度之比为一种。此外,还生产了8种纤维增强混凝土的混合物(每种纤维百分比为4)。使用水泥OPC 40满足NMX-C-414-ONNCCE-2014 [42]的要求生产混合物;标准粉碎的石灰石骨料,最大尺寸为19 mm(3 / 4jj),细度模量为2.42;水;以及聚羧酸类减水剂作为添加剂。使用的钢纤维是“钩端”纤维,长度(lf)为50毫米,直径(df)为1毫米,长径比(lf / df)为50,拉伸强度为1130 MPa;纤维体积分别为0.25%和0.50%,这是根据标准EN 14845-1,2007 [43]推荐的获得残余强度的体积。该标准还规定最大水泥含量为350 kg / m3,水灰比为0.55。表1列出了每种混合物的组成。表1.混合物组成。材料1号2号S-3孜然(kg / w)350350350添加剂(毫升/千克)1.91.91.9碎石(M.S. 19毫米)(kg / m3)810810810沙(kg / m3)102710201014水(kg / m3)193193193纤维(kg / m3)02040空气含量(%)1.82.52.8坍落度(毫米)130115105网络时间6793.1.断裂试验方法 使用了三种不同的混合物,以及四种不同的切口深度(即0、13、25和50 mm)。需要第一混合物作为参考系列(即,体积纤维,Vf = 0%)。用这种混合物制成每个深度为150 mm×150 mm×600 mm的6根光束。因此,总共构造了24个标本。在第二和第三混合物中,分别使用了0.25%和0.50%的纤维体积(Vf)。因此,对于每种混合物和每种切口深度,总共也要制造24个样品。因此,总共48个棱柱形试样由纤维制成,具有上述尺寸和切口深度。通过对72个样品(普通混凝土和纤维增强混凝土)进行了开槽弯曲挠曲试验,评估了添加钢纤维对开裂后性能的影响,并对其进行了描述。相应的陷波深度比(a / d)分别为0、0.08、0.16和0.33。值得一提的是,开槽步骤是根据标准EN 14651-2005进行的,其中常见的开槽深度为25 mm [20]。在该实验程序中,使用了裂口张开位移法(CMOD)相对于施加的载荷作图。开口的测量采用夹式引伸计进行,标距长度为20 mm,行程为+12 mm / –2 mm(见图1a和2a),目的是估计通过防止诱发裂纹的扩大,具有通过样品的裂纹面传递纤维应力的能力。此外,将线性范围为12.7 mm的线性可变差动变压器(LVDT)放置在试样的中跨处,以测量由于施加的载荷引起的位移,并确定钢纤维对钢的韧性和延展性的贡献。复合材料(见图1b和2b)。 (a) (b)图1.棱柱形试样的拉伸弯曲试验。 (a)通过引伸计夹式Epsilon品牌测量裂纹口的开口。 (b)通过VISHAY品牌的线性可变差动变压器(LVDT)测量样品中跨的挠度。图2.三点弯曲测试的配置,尺寸以mm为单位。 (a)裂纹口的测量。 (b)用LVDT测量中跨位移。3.2.负载和应力处于比例极限实验结果从所述负载在比例极限或从负载为初裂(FL),其为负载的记录到为0.05mm并[a CMOD较大值而获得9,36 ]。借助于等式(1)[ 20 ]计算出在出现第一裂纹时相应的作用应力。其中f L =比例极限处的应力(N / mm 2),F L =比例极限处的载荷(N),L =试样的跨度(mm),b =试样的宽度(mm),hsp =试样顶面与引起裂纹的尖端之间的距离(毫米)。3.3.正态和特征残余应力在剩余阶段,钢纤维的贡献至关重要。在裂后阶段,该贡献是通过法向应力(f Rj),所测CMOD的每个特定值获得的,并由等式(2)计算[ 20 ]。其中f R,j =在点j处的法向残余应力(N / mm 2),f Rk,j =在点j处的特征残余应力(N / mm 2),F R =给定裂纹口开口的载荷位移测量。f R,1,f R,2,f R,3和f R,4的值是0.5、1.5、2.5和3.5 mm裂纹嘴开口的法向残余应力(N / mm 2) , 分别。以类似的方式,f Rk,1,f Rk,2,f Rk,3和f Rk,4的值是0.5、1.5、2.5和3.5 mm的特征残余应力(N / mm 2)。分别开口。在这项研究中,特征残余强度的评估是根据CEB-FIP模型代码2010 [ 44 ]中建立的程序,通过方程式(3),以及在Molins和Arnau 2012中获得的因子进行的;RILEM TC-162,2003,在所列出的表2 [ 45,46 ]。 其中,n =测试样本的数量,k xN =当总体集合的变异系数已知时的统计因子,k xn =当总体集合的变异系数未知时的统计因子。 表2. 系数k x与被测样品数量的关系。n123456810κξγ2.312.011.891.831.81.771.741.72κξγ3.372.632.332.1821.92 3.4.断裂能纤维增强混凝土试件的断裂能估算采用了两种模型,它们各自的参数和原理互不相同。对于模型1,Barros等人提出。[ 47 ]如式(4)所示,需要诸如样品质量和最终位移的测量参数。另一方面,对于第二个模型,需要使用图[ 48 ]。Kazemi等人提出的模型2。[ 48 ]由等式(5)表示,并假设将试样断裂所需的功与破裂表面成正比:其中GF=总断裂能(N/ m); Wf=曲线载荷下的面积与裂缝开度(或位移)的关系,是由于断裂引起的功(N-m)或(J);m =样品质量(kg); a =样品的总长度(l)与跨度(支撑之间的长度)(L)之间的关系; a0 =初始切口深度(m); b =样品宽度(毫米); d =光束深度(米); g =重力加速度常数(9.8 m/ s2);Su=测得的位移或裂纹开口的最大值(m); S =装置的标准偏差(N /mm2);L =试样长度(毫米); r =试样顶面与裂纹尖端之间的距离(m)。4.结果与讨论4.1.比例极限行为图3显示了三个系列中每个系列在比例极限下的负载获得的结果。可以观察到,随着切口深度比(a/ d)的增加,负载能力降低,其中对于比率(a/ d)分别降低了33%,53%和66%分别为0.08、0.16和0.33。因此,随着切口-深度比的增加,混凝土变得易于破裂失败。这种现象是由于断裂加工区(FPZ)的减少,也称为韧带长度,它在开裂过程中允许更高的能量耗散[48]。 Zihai Shi [49]也认识到了这种负荷的减少,其中韧带长度的减少导致峰值负荷的减少。图3. 比例极限下的实验行为。以相同的方式,在图3中,还可以观察到,负载阻力主要取决于混凝土的阻力面积,而不取决于所添加的纤维量。这可以通过观察在不同纤维体积Vf下每个比率(a / d)所获得的相似载荷值来识别,这表明,对于第一个裂纹发展之前的阶段,纤维几乎或根本没有影响复合材料的强度。从该行为,获得了一般图形(参见图4),其行为也可以用公式(6)描述。 图4. 比例极限下的一般行为。表3列出了每个研究系列的第一个裂纹出现所需的应力。在该表中,计算的应力趋于随着切口深度的增加而减小。另外,对于那些没有初始刻痕的试样,与具有初始刻痕的试样相比,要求更高的应力才能使第一个裂纹出现。与最初产生缺口的混凝土面积相比,这种行为与试样中混凝土面积更大。但是,值得注意的是,(a / d)= 0的试样显示出较大的变异系数(CV),这是因为未控制开裂过程,并且在试样的整个长度上裂纹可能出现在不同的区域,导致残余行为的变化。表3. 在比例极限(N / mm 2)处的计算应力。对于系列1和2,获得的结果分散最少,比率(a / d)= 0.16,这是标准EN 14651,2005 [ 20 ]所建议的陷波深度比。与所研究的其余(a / d)比率相比,观察到了裂化过程的控制。此外,比率(a / d)= 0.16时,在后裂化阶段中获得了纤维性能的更代表性的行为。而且,以该比率,深度足够大,以利于在所需区域中出现第一裂纹,并产生足够大的混凝土区域,以使纤维在残余阶段中适当地传递应力。4.2.破解后行为图5-8显示了在弯曲拉伸试验中,钢纤维系列和每种(a / d)比的结果。在这些图中,可以注意到,如前所述,在比例极限(曲线的线性部分)处的负载与所用纤维的数量无关。此外,还可以观察到,纤维的主要作用是在后裂化阶段获得的[13,15,50]。 图5. (a / d)= 0的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。 在对应于系列2的图中,与对应于系列1的那些相比,在裂后阶段显示了更大的性能,其残余载荷等于或什至大于在第一裂化过程中获得的平均载荷。发生阶段。由于使用了大量的纤维(即,Vf = 0.50%),这导致硬化行为,这通过增加通过裂纹面传递应力的能力而改善了裂纹后阶段的性能。图6. (a / d)= 0.08的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。图7. (a / d)= 0.16的弯曲拉伸试验曲线,(a)系列1,(b)系列2。通过分析这两个获得的曲线的结果,在图5-8中,可以在残余阶段以小于4 mm CMOD的值观察到样品的最大性能,这相当于在3.64 mm处的位移。中跨,之后开裂性能会降低。这是最重要的,因为通常在计算光纤性能时考虑该值,对于中跨度的3.5mmCMOD或3mm挠度,该值是获得的[9]图8.(a / d)= 0.33的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。 4.3.正常残余应力在图9中,显示了两个研究系列的法向残余应力(fR,j)的结果。基于所使用的(a / d)比率,可以注意到,从图9a-d中可以看出,比例极限处的载荷值是一致的,与所使用的纤维量无关。这表明纤维在第一次破裂发生之前的阶段几乎没有影响。还值得注意的是,通过增加比率(a / d),通过增加纤维的剂量可以改善所产生的残余性能。例如,比率(a / d)=0的样品的残余性能增加了61%。同时,(a / d)比分别为0.08、0.16和0.33的序列分别增加了157%,129%和86%。以相同的方式,对于0.08至0.16的比率,随着纤维剂量的增加而达到最大性能,而对于0.33,其残余性能降低。4.4.特征残余应力在图10a,b中,显示了系列1和2的每个(a / d)比的特征残余应力(fRk,j)的实验结果,以及每种情况下它们的相应平均应力曲线。可以注意到,特征残余应力对法向残余应力的变化非常敏感。这可以在图10a中得到验证,图10a中的比率(a / d)= 0和0.08显示的残余性能低于从比率(a / d)= 0.16和0.33获得的残余性能。因此,比率(a / d)= 0和0.08不符合标准EN 14845-2,2006 [41]中确定的最低要求。对于系列1,通过增加比值(a / d),可以在开裂后阶段获得更合适的性能,这表明在试样表面上有足够的应力传递。另一方面,在图10b中,通过使用大量的纤维(系列2),特征残余应力满足标准的最低要求[41]。但是,关于系列2的比率(a / d)的行为与在系列1中获得的结果不一致,因为比率(a / d)= 0.08提供了所有所用比率中的最佳残留性能(请参见图10b)。这可能是纤维数量影响的结果,纤维数量可以在较大的混凝土区域中更好地分布。对于两个系列,比率(a / d)= 0均显示最差的性能。(b) (b) (c) (d)图9.纤维系列和每个研究的(a / d)比(a)0,(b)0.08,(c)0.16和(d)0.33的残余法向应力。切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(下) 点击:查看更多其他分类文章 免费试用文档翻译功能免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于:mdpi
2021-01-19 19:00:19
切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(下)
切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(上)从实验中获得的接近平均法向应力的特征残余应力的评估要求测试之间的分散度较低。这可以通过增加样本数来实现。这将导致统计不确定性因子kx减小,因此结果的变化将较小。在表4中,示出了两个系列的残余强度的分类。根据模型代码2010(MC-2010)[44,45]的建议,对于分类,分别对五个和六个样本进行了测试,系数kxn = 2.33和2.18。没有分类的(a/d)比是没有达到最小特征残余强度1N /mm2的比。对于系列1的比率(a/ d)= 0和0.08所获得的结果低而不足,不足以达到最小特征残余应力并能够对其残余行为进行分类。相反,比率(a / d)= 0.16和0.33在它们各自的残余响应中显示出完美的塑性行为和硬化行为。图10. 每个(a / d)比的特征残余强度:(a)系列1和(b)系列2。如表4所示,系列2的结果表明,通过增加(a/d)比率,也会在残余阶段提高性能,这可能会导致硬化行为,如表4所示。 (a/ d)= 0.33比率。这证明了纤维含量足够高,可以在弯曲下表现出硬化行为[50]。这表明,即使通过增加比率(a /d)减小到达第一裂纹的峰值载荷,通过改善残余阶段的性能,纤维的添加也可以达到甚至超过这种载荷。该行为将不取决于破裂表面上的总纤维量,而是取决于对水泥基体的破裂过程的控制有有效贡献的纤维量。4.5. 钢纤维混凝土的断裂能如表5所示,系列1的(a / d)比的增加对断裂能产生不利影响,如用断裂功模型1计算的那样。这表明具有纤维的增强基体无能为力。阻止裂纹扩展;这与系列2中观察到的相反,在系列2中,通过使用大量的纤维(即40 kg / m3),即使(a / d)比增加,断裂能也会增加。这种行为意味着,由于存在大量的纤维,通过整个裂纹面的应力的桥接机制,裂纹强度会增加,这会在基体中产生多重裂纹条件。表5. 用模型1 [ 47 ]计算的用纤维增强的样品(系列1和系列2)的断裂能。这样,由于钢的提取过程,裂化后阶段获得的断裂能将受到位于水泥基体中的纤维量以及残余阶段中传递应力的能力的影响。纤维由于其钩状端的拉直而产生较高的能量消耗。通过限制裂纹的扩展以及限制裂纹的发生,它们也具有减小裂纹上部应力集中的能力[36,37,51-57]。如前所述,在比率(a / d)= 0.08和0.33的情况下,考虑到系列2的断裂能的平均增量超过100%,断裂能表示纤维在残余阶段的重要贡献。 ,相对于系列1获得的结果。对于比率(a / d)= 0,相差仅为57%;对于这表明样品中没有缺口将无法使纤维有效发挥作用,从而限制了能量断裂的增加。图11a,b显示了用于斜率裂缝工作模型(模型2)的剩余阶段裂缝能量计算的图表。在这些图中,代表了每组测试样品以及韧带的初始大小(样品顶面和缺口尖端之间的面积)。考虑到断裂功与开裂表面成比例,并且开裂的最终面积等于韧带的初始面积[48]。图11.用斜率断裂功模型2计算断裂能的曲线拟合:(a)系列1和(b)系列2。在这些图中,对于缺口从上到下的裂隙梁,认为零能量的必要性。这意味着假定曲线从原点开始。此外,曲线的斜率表示裂纹扩展一个深度单元所消耗的能量。通过将该斜率除以梁的宽度(b),可以得出所需的断裂能。值得一提的是,通过该模型获得的断裂能结果与第一个模型获得的结果相对接近。这些值在表6中表示,其中GF(1)和GF(2)分别代表从模型1和2计算得到的断裂能。表6.通过研究模型计算的断裂能(GF)[58]。可以看出,第二个模型与结果的变化有直接关系,因为通过获得高变化系数,因子R2也将增加。这可能导致难以获得复合材料的后裂化阶段行为的代表性结果。5.结论本文介绍的结果仅限于具有钢纤维的纤维增强混凝土,并且已描述了体积纤维的百分比。因此,需要使用其他类型的纤维(合成纤维和天然纤维)并具有不同的特性进行实验,以扩大改善混凝土开裂后响应的机会范围。根据结果,可以得出以下结论:1. 假设在每个研究系列中获得的载荷值都是封闭的,则比例极限下的载荷不受钢纤维添加的影响。这表明,在此阶段,材料的性能主要取决于水泥基质和剩余的混凝土面积。2. 荷载和应力在比例极限处表现出与缺口深度比成反比的行为,这种比例的增加将导致混凝土易于失效。3. 纤维剂量的增加导致法向和特征残余应力的改善。4. 对于系列2,切口深度比(a / d)的增加会增强法向和特征残余性能。对于比率(a / d)= 0,法向残余应力的增量为61%,而对于比率(a / d)= 0.08、0.16和0.33,增量为157%,129%和86 %, 分别。比值(a / d)= 0.08提供了所有考虑的比值中最佳的特征残留性能。5. 对于系列1,切口深度为25毫米,等于(a / d)的比值为0.16,是满足国际标准中规定的最小残余应力要求的唯一比率。6. 对于少量的纤维(在这种情况下为20 kg / m 3)和小的(a / d)比(即a / d <0.16),由于残留强度的最小分类是不可能的,这是由于样本无法达到最小值的事实。7. (a / d)= 0.33可以得到更大的残余强度分类,这意味着开裂后的性能不取决于混凝土,而是取决于纤维传递应力的能力。试样的裂纹面以及位于分析区域的纤维数量。8. 通过将纤维体积从20 kg / m 3增加到40 kg / m 3,断裂能增加了约97%(模型1)和约35%(模型2)。这意味着钢纤维有助于改善复合材料的残余性能。9. 对于系列2,即使(a / d)比也增加,断裂能也会增加。大量纤维的存在使抗裂强度增加,并在基质中产生多重裂化条件。10. 所使用的数学模型显示出相似的结果,尤其是对于混凝土中钢纤维含量高的情况。11. 相对于标准中推荐的比率,本研究中获得的结果将为不同比率(a / d)提供实验参考框架,这可以有助于对从实验室测试确定的残余应力进行分析的标准。参考文献1. Selvamani,G。 Duraisamy,S .; Sekar,A。《纤维增强混凝土综述》。诠释J.文明。技术。 2016,7,1–8。2. Orbe,A。 Rojí,E。; Square,J .; Losada,R.优化结构HACFRA(钢纤维增强的自密实混凝土)组成的研究。建筑信息2015,67,e061。3. Vairagade,V.S .;Kene,K.S.使用金属和合成纤维的普通混凝土的强度。 Procedia工程师。 2013,51,132–140。[CrossRef]4. 艾莉·H;安东尼斯冲绳约束钢纤维混凝土梁的试验研究。 Procedia工程师。 2015,125,1030–1035。 [CrossRef]5. Tiberti,G .; Minelli,F.;Plizzari,G.钢纤维在钢筋混凝土构件中的开裂行为:一项综合实验研究。 Cem。确认Res。 2015,68,24–34。 [CrossRef]6. G. A.S.Santhi;加内什(Ganesh)卷曲和钩端的钢纤维对混凝土抗冲击性的影响。J.应用科学。 2014,17,259–266。[CrossRef]7. 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2021-01-20 19:08:54
最近地球转得更快了
The Earth has been spinning faster lately最近地球转得更快了by Bob Yirka , Phys.org鲍勃·伊尔卡(Bob Yirka),Phys.orgPublic Domain公共领域Scientists around the world have noted that the Earth has been spinning on its axis faster lately—the fastest ever recorded. Several scientists have spoken to the press about the unusual phenomenon, with some pointing out that this past year saw some of the shortest days ever recorded.世界各地的科学家都注意到,最近地球自转的速度是有史以来最快的。一些科学家已经向媒体发表了有关这种异常现象的谈话,其中指出过去一年的一些记录是有史以来最短的。For m
2021-01-08 16:11:15
大火前后的巴黎圣母院大教堂的声学调查
布莱恩·F·G。卡茨*和安东尼·韦伯法国巴黎CNRS Sorbonne大学Jean Le Rond d´Alembert研究所UMR7190,法国; antoine.weber@dalembert.upmc.fr*通讯:brian.katz@sorbonne-universite.fr 收到:2020年9月27日;接受:2020年10月29日;发布时间:2020年11月6日摘要:巴黎圣母院大教堂是世界上最著名的礼拜场所之一。它的体积大,加上相对裸露的石头结构和大理石地板,导致相当长的混响时间。大教堂在2019年遭受大火,主要损坏了屋顶和拱形天花板。尽管此空间臭名昭著,但有关该空间的声学参数的已发布数据很少,这些数据并不一致。恢复了1987年的存档测量记录,发现其中包括几次气球爆炸。 2015年,针对虚拟现实项目进行了测量会议。这两个阶段的结果之间的比较显示,在开火前,混响时间略有减少(8%)。火灾发生1年后,最近在施工现场进行了测量。与2015年的数据相比,混响时间显着减少(20%)。本文介绍了这些测量的初步结果,并提供了有关这具历史悠久的朝拜空间在2019年大火之前和之后的声学记录。 关键词:室内声学测量巴黎圣母院;混响时间文化遗产1. 介绍礼拜场所的声学已成为数十年来研究的主题。由于其巨大的规模,这些空间已在多个世纪以来用于文化和宗教活动。这样的空间经常表现出声音异常(例如,耳语的画廊和耦合的体积)。吉隆(Girón)等人综述了这项研究的重要部分。 [1],讨论了不同的实验程序,结果及其理论解释。在具有重要历史意义的空间中进行了许多著名的研究:圣彼得大教堂[2],圣索非亚大教堂(Haghia Sofia)和苏莱曼清真寺(SüleymaniyeMosque)[3],圣约翰洗礼池[4],圣日耳曼德佩雷斯修道院[5]和圣保罗大教堂[6]。巴黎圣母院大教堂(CathédraleNotre-Dame de Paris)是世界上最著名的礼拜场所之一。这座中世纪大教堂被广泛认为是法国哥特式建筑的最好典范之一。大音量加上其巨大的裸露石灰石和大理石表面,导致长的混响时间。尽管该空间声名狼藉,但很少有已发布的有关该空间的声学参数的数据示例。巴黎哥特式大教堂建于12世纪末,成为欧洲音乐创作的象征地,历史学家称其为“巴黎圣母院”。文件证明了这一时期的音乐活动,并且可以认为这种巴黎复音的惊人发展与1182年新合唱团举行的礼拜式组织相吻合。巴黎圣母院大教堂的法令颁布于1198年和1199年,主教Eudes de Sully证明了大众,办公室和贝纳迪卡莫斯·维斯珀多米诺骨牌的两种,三种和四种声音的实践[7,8]。 我们很幸运有一位英国校长撰写的历史性文字[9],描述了这座大教堂合唱团1275年左右的音乐习惯,在此之前,器官和半即兴的传导性的声音可能会朝后殿升起在各种手稿中都有记载,这些手稿证明了Magnus liber organi的丰富性[10](巴黎圣母院在12世纪和13世纪之交时使用的拉丁语“器官大典”)。几个世纪以来,这种方法不断发展,随着格里高利旋律的出现,这些旋律逃离了封闭的合唱团,或者随着游行队伍而流通,风琴,铃铛的声音和法佛对位的复调作品混合在一起。 “ 1498年任命安托万·布鲁梅尔(Antoine Brumel)带来了新鲜的空气:费拉拉公爵未来的合唱团指挥官带来了佛朗哥-佛兰德和弦的最好和最新的复音” [11]。音乐史将铭记安德烈·坎普拉(AndréCampra),让·弗朗索瓦·拉洛埃特(Jean-FrançoisLalouette)或让·弗朗索瓦·莱苏厄尔(Jean-FrançoisLesueur)等伟大的大师和作曲家的名字,他们在革命时期后组成了著名的加冕典礼,供拿破仑进入大教堂1804年,以及加冕大礼的各种作品。2019年4月15日,巴黎圣母院大教堂的阁楼发生火灾。由此产生的损坏摧毁了屋顶,并在尖顶和其他碎屑掉落时在拱形天花板上留下了三个大孔。随着修复工作的继续,在大教堂的结构和材料方面进行了大量的记录工作,这项工作介绍了近期的工作,以记录大教堂的室内声学状况,对火灾前和火灾期间采集的数据进行了分析。重建过程。这项工作的某些要素先前已经在科学会议上提出过[12]。2. 已发布的声学数据尽管该空间声名狼藉,但很少有已发布的有关该空间的声学参数的数据示例。 Hamayon [13]提出了混响时间估计作为八度频段的函数[125至4000 Hz:8.5、8.0、7.5、6.0、4.5、2.7 s]。 Mercier [14]提出的建议略有不同混响时间值[125至4000 Hz:8.5、8.2、6.5、6.2、4.7、2.5 s]。两项研究都仅介绍了混响时间,而没有任何参考或测量协议信息。3. 材料和方法:20世纪和21世纪的测量 3.1. 1987年的历史数据档案记录(1987年)是从有关一个新器官的声学研究中恢复的[15],其中包括几个气球破裂。测量协议—图1a显示了1987年带源-接收器(SR)位置的测量的测量计划。尽管采用了使用不同刺激的多种技术,但由于缺少刺激细节(例如,消声信号,扫描刺激参数),仅可利用气球爆裂源。从源位置1记录了三个气球爆炸,从源位置2记录了1个气球爆炸。这些位置对应于大教堂的“相对”源位置[16],其中S2在变位子和祭坛区域的中心附近。 S1在讲坛附近,更靠近公共区域的中心。测量设备的输入-用13个全向麦克风记录声音,这些麦克风连接到多轨线对线录音机(Tascam)。虽然不是理想的全向声源,但气球爆裂在某些情况下还是有用的工具,它提供了便携式脉冲源[17]。记录从模拟磁带上数字化。图1.巴黎圣母院大教堂(a)1987,(b)2015和(c)2020届会议的测量计划。位置居中于编号源(S#(红色))和麦克风(#(蓝色和绿色))标签下,或在所测量的网格过于密集的点处。 2020年计划(c)还在阴影区域指示了无法放置测量设备的脚手架(黄色),人为禁止区域(红色)和禁止区域的受阻碍/损坏的地面(蓝色)。3.2. 2015年的详细测量在2019年大火发生前的将近4年的2015年4月13日晚上,在一次小型音乐会演出之后进行了一系列声学测量。测量协议-图1b显示了测量计划,突出显示了2015年测量的S-R位置(请参见图2a中的照片)。源位置反映了1987年的测量结果,以及代表合唱团的S3和1987年测试的S4,尽管在进行测量后没有发现气球爆裂。在2个正弦扫描的三个测量组中,执行了麦克风1–8更改位置的操作(高度为1.5 m,这些麦克风的更改位置由测量位置后面的字母表示)。由于外部噪声过大,首次测量重复进行了两次,共87次,形成了4组测量值。麦克风9-16悬吊在天花板上(88层上方7 m,以捕获混响场供唱片工程师用于音乐会录音),因此89保持在同一位置,因此记录了八个类似的RIR。这些重复的90次测量允许研究随时间变化的声学响应的稳定性,其中91次解决了温度变化的细微影响[18]。在最后一次扫描测量之后,在每个源位置记录一个气球爆炸,而接收器在最终位置。(a)(b)图2.(a)2015年的状况照片,突出显示了测量期间测量设备,地毯滑道和小型音乐会立管; (b)2020年,突出显示在测量过程中由遥控机器人,障碍物和中殿的总体空状态拉动的麦克风三脚架。测量设备的输出-音频输出被发送到放大器(SAMSOM,美国Servs120a型,希克斯维尔),并依次发送到四个微型十二面体声源(三博士,3D-032型,日本东京)。信号-激励信号基于扫频正弦法。扫描频率从20到20,000 Hz,在20 s内呈指数增长。但是,由于这些特定扬声器的频率响应,在250 Hz八度频段以下的能量不足,无法进行分析。使用DAW软件Reaper和声卡(RME,Fireface 800,德国海姆豪森,德国)以44.1 kHz的采样率播放扫描。测量设备的输入-混响信号是由两个测量链记录的,因为测量的会话是与音乐会录音设备一起进行的。(I)用5个全向麦克风(4个DPA(丹麦Alleroed),4006型(1-4)和1个Schoeps(德国卡尔斯鲁厄)MK5型全向麦克风(5)以44.1 kHz的采样率记录扫描。 ,1个虚拟头(KU-80,配备DPA 4060)和1阶Ambisonic麦克风(Core Audio,Tetramic,Teaneeck,NJ,美国),所有这些都使用声卡(RME,Fireface 800)录制。 )使用其他11个全向麦克风(6个DPA 4006型(11–16),5个Schoeps MK5型全向麦克风(6–10))和声卡(RME)以48kHz的采样率记录扫描,Micstacy)。3.3. 2020年重建后大火的测量准许进入重建现场,并于2020年6月30日进行了声学测量。由于工作现场的限制,只能进入某些区域。由于存在掉落碎片的风险,中殿和中庭已禁止人员进入,如图1c所示。链节/坛大理石地板的中央部分被尖顶掉落损坏。合唱团区域杂乱无章,由救援队整理,因此完全无法进入。许多侧面祭坛已被用来存储物体。还安装了用于移除器官的脚手架和围绕中殿的保护屏障(建筑围栏和腰高的穿孔金属板)。见图2b中的照片;在线(https://youtu.be/YLi7ASosKvw)上有一段简短的视频记录了测量会话。测量协议-图1c显示了测量计划,突出显示了2020年测量的S-R位置。在给定访问限制的情况下,选择扬声器的源位置S1,使其尽可能接近先前测量中使用的位置。源位置S2用于手持式脉冲源,因为这是最接近S1的位置。遥控机器人(用于隧道检查)被用来拉动安装在三脚架上的麦克风。麦克风位置1-5代表第一测量轨迹。由于剩余的时间,机器人的返回轨迹(位置6-19)允许更密集的分布。从位置S1开始进行抽奖。测量设备的输出-声源是电池供电的十二面体声源(Look Line,S103 ACDC,意大利Massa Finalese),配备有自己的内部放大器和扫频发生器,远程控制,位于声源位置S1。激励信号是内部20 s扫描正弦波。在禁区的极限处,从源位置S2进行了几次补充冲动刺激,手枪开枪射击和气球爆裂。测量设备的输入-混响的信号记录在各种便携式记录设备上,以限制由于机器人操作而引起的布线和混乱。除了使用一对MS(Zoom,H6)外,还使用两个与便携式录音机(Zoom,H6,东京,日本)连接的全向麦克风(Bedrock,BAMT1 1/2”,荷兰代尔夫特)进行录音。将两个3D麦克风(Core Audio,Tetramic和Octomic)记录到便携式录音机(Zoom,F8)上。最后,使用了两个自主3D麦克风(Zoom,H3-VR),一个与360°摄像头(三星,Gear360,韩国首尔)配合使用。源/接收器的高度为1.7 m,受限于用于放置设备的带轮三角架设备。3.4. 后期处理随后的反卷积扫描正弦刺激,采样率转换和后处理步骤在MATLAB中执行。根据我们的内部MATLAB IR分析(IRA)工具包,根据ISO 3382标准对RIR进行了分析[19]。3.5. 建筑细节巴黎圣母院长约130 m,宽48 m,高35 m。在与巴黎圣母院办公室的电话交谈中,确认在几个区域安装了地毯滑道,并且在与前两个海湾相邻的两个礼拜堂(侧面壁or或海湾)中增加了两个确认亭。在这段时间里因此,1987年和2015年之间的区别主要是安装了地毯滑轨(见图2a和3a)。从2015年到2020年,大火后的主要区别是拆除地毯滑道,拆除长椅和拱形天花板上的孔。图3b显示了修复团队在天花板上报告的主要孔洞。使用2D投影(忽略高程拓扑),建筑图纸中的孔大小估计为263 m2。根据上述尺寸,这相当于包围盒表面积的1%。(a)(b)图3.巴黎圣母院大教堂的示意图突出了特定的表面。 (a)突出显示座位位置(黄色)和增加的地毯流道(红色)的计算机模型; (b)指出拱形天花板(2020)中主要孔洞(红色)的建筑图。4. 测量结果 4.1. 声学参数由于三个测量会话期间信源/接收器位置的变化以及2020年测量条件的巨大差异,此处介绍的初步分析重点是混响时间测量,而不是对本地建筑特征更敏感的参数。在所有三种测量条件下,通过全向麦克风计算平均混响时间(T20),如图4a所示。图4.接收机平均混响时间汇总,衰减曲线示例和耦合体积分析,(a)具有标准误差棒的全向麦克风的平均混响时间(T20)。 2020年的结果显示了扫掠刺激(S1)和脉冲源枪击(S2,Rec位置1-5)的结果; (b)八度带滤波的RIC衰减,标准化,优化的SNR截断,2020扫描激励数据集的示例; (c)全斜率衰减500Hz-八度频带分析分布,显示RIC衰减曲线中所识别弯曲点的早期和晚期混响时间以及相对时间(BPt)和电平(BPdB)([20],以获得参数详细信息)。带刻度的箱线图显示了数据分布的中位数,95%置信区间,第25和第75个百分位数。 2020年测量协议采用了非同步音频输入/输出设备。虽然设备之间精确时钟速率的差异可能会导致解卷积信号的时间失真,但Hak和Hak [21]已表明,与MLS信号相比,这种误差对扫频刺激的影响较小。另外,在该研究中发现典型的时钟误差足够小,以致混响时间的预期偏差将小于百分之几。为了验证异步措施,还从源位置S2计算了2020年脉冲源枪射击的混响时间。结果表明,两种测量方法之间的差异在不同位置和频率的标准误差范围内有所不同,除了250Hz频段显示稍高的值(增加7%)和125 Hz频段缺乏足够的分析能量。从整个测量时段的混响时间来看,从1987年到2015年平均降低了8%。2015年和2020年之间的比较显示,整个频段的降低显着得多,T20的平均降低了20%。仔细检查RIR可以提供其他信息。图4b中显示了用于计算上述房间声学参数的RIC示例。衰减曲线显示出一个陡峭的阶跃或“悬崖”响应,正如在露天剧院中所观察到的[22]。考虑到除了光滑的空地板以外没有近端反射表面,这是合理的。在响应的较早和较晚部分之间,衰减率会出现一些细微变化,这表明体积行为呈轻微耦合。使用行进线多斜率分析方法对此进行了进一步分析[23,24]。为简便起见,此分析仅限于500 Hz倍频程滤波的RIR,并使用可比较的源和接收器位置与2020年缩小的测量区域将2020年的测量结果与2015年的子集进行比较。此方法除了可以描述时间和水平上的弯曲点外,还可以估算RIC的早期和晚期衰减率。相对于RIR发作。由于耦合体积衰减的行为随复杂体系结构中的源和接收器位置而变化[25],因此将比较每个参数的结果分布,比较2015年和2020年的RIR,比较下半部分的源和接收器位置中殿(两个数据集中的共同测量区域)。非线性衰减分析的结果(如图4c所示)反映了如图4a所示的混响时间的总体减少,同时也突出了存在非线性衰减时使用ISO参数的问题。结果显示,早期和晚期衰减率均下降,表明主要和次要“体积”均减小。在Notre-Dame的情况下,对不同声音音量的界定不如在耦合混响音乐厅设计中那样明显和明显。但是,由于其较高的天花板,可以将Transept与其他空间完全不同,而侧面区域(Transept除外)具有多个水平。由于拱形天花板中的孔位于收发器区域内(图3b),但是其中一个孔位于源/接收器区域上方,因此可以想象这种损坏会影响多个声学“体积”。在这些体积中衰减率的降低还导致弯曲点时间的减少,并在较小程度上降低了水平,并且应注意,所有这些参数都与声耦合条件有关。 2015年情况的后期混响时间的可变性可能归因于空间的复杂性以及各种声学区域,这不仅导致了简单的双斜率衰减,而且导致了更高阶的耦合。需要进行进一步的分析和测量以进一步检查该假设。最后,根据Luizard等人的观点,考虑可感知的可检测性。 [20],耦合条件下早期衰变率的平均正差(JND)约为7%至10%,是晚期衰变的两倍。同样,BPt的JND约为15%到30%,涵盖了此处观察到的差异。这样,可以确信地说声学条件的差异是清晰可听的。4.2. 空间分析空间房间脉冲响应(SRIR)可用于房间声学的比较方向分析。这里选择的方法是一种参数化方法,即空间分解方法(SDM)[26]。基于这样的假设,声场可以描述为一连串的平面波,因此SRIR可以分解为一组离散的压力值及其对应的到达方向(DOA),即图像源为归因于每个时间样本。为此,将一个以目标样本为中心的小时间窗口应用于SRIR,并通过最小二乘解估计到达时间差(TDOA)的DOA。理想情况下,使用阵列中心的全向脉冲响应来分配压力值。该方法已用于音乐厅SRIR的分析和声音化[27],也用于其图形表示[28]。这些工具在MATLAB软件包SDM Toolbox [29]中实现。SDM分析应用于使用相同3D四面体麦克风阵列进行的2015年和2020年测量。使用A格式信号(代表接近重合心形麦克风的四面体阵列)估算DOA。对于所使用的麦克风,将分析窗口设置为最小允许大小,该大小是脉冲通过阵列传播所需时间的两倍,对于所使用的麦克风而言,大约为0.4毫秒。为了获得麦克风中心的压力值,这是SRIR的图形表示所必需的,使用了后处理的B格式全向W通道信号,因为这种分配应应用于与方向无关的RIR。图5中显示了类似的源-接收器对位置的中值平面和侧面平面的结果。需要注意的是,在2020年,没有座位,地板空着。相比之下,2015年既有长椅,也有一些舞台上升器,椅子和乐谱架代表着音乐表演(见图2a)。在比较这些结果时,可以进行一些观察。(a)(b)图5. SDM分析显示了从0 ms到[10,50,100,200,300,500,1000] ms的累积能量极性分布曲线,带通滤波了100 Hz至5000 Hz,滑动平均值为5°。指示了源位置(红点)。 (a)SDM分析:状态2015,Src S2–Rec 1c; (b)SDM分析:状态2020,Src S1,建议16。从CNRS/MC为修复巴黎圣母院而采取的科学行动的数字平台上获得的纵向截面,来源:Andrew Tallon进行的3D激光扫描(2016)。关于直接声音,2015年显示的声音既局部又清晰(略微升高,这与它的位置以及当时的声源都升高相对应)。地板反射不可见,可能是由于椅子和长椅的存在。到2020年,直接声音“波瓣”变得更宽广,不那么尖锐。检查侧视图图,直接声音(实际上是响应的初始0 ms到10 ms窗口)呈现出略微负向的升高。这可能是由于平坦的地板空了,在10毫秒的分析窗口内对地板的强烈反射进行了计数,从而降低和扩大了响应的早期部分。关于累积能量,在2015年,能量从各个方向相当平稳且均匀地增加,如后续能量轮廓曲线之间的规则径向间距所示,最大增加幅度为100至200 ms,因此反射以35至70的路径差到达米后的直接声音,主要归因于拱形天花板。横向能量的首次增加是在直接声音到达后的10到50毫秒内发生的,这与中殿中的列行以及侧阳台的反射相吻合。在平面和截面上,包含0到1000 ms的最终分析窗口在-10 dB的相对水平下相当圆。相反,如先前的分析所述,2020年的结果显示,在初始时间窗口之后,能量的阶跃函数降低更多,这表明在整个时间(尤其是在垂直方向)上都缺乏随时间的渐进反射累积。在所有方向上平均的200到1000毫秒之间的相对累积水平为2dB,比2015年的结果低2dB。5. 讨论与未来工作由于[13,14]中的数据与2015年的测量结果相当,因此可以得出结论,导致更短混响时间估计的变化是在1987年至1996年之间进行的。由于巴黎圣母院大教堂的体积相当大,混响时间差必须是实质性变化的结果。还可以考虑大气条件影响混响时间结果的可能性。然而,由于温度和相对湿度主要影响1000 Hz以上的混响估计[30],因此可以将其排除为减少混响时间的原因。因此,地毯跑步者可能是候选人。自2019年毁灭性大火以来,混响时间的减少显而易见。使用扫频正弦波和脉冲源以及相对近端位置都观察到相同的差异。导致T20急剧降低20%的建筑元素仍有待验证。非线性衰减率或耦合声量分析突出了这样一个事实,即变化的规模很大,影响了大教堂的不同区域,为此,拱形天花板上的孔可能是至少起重要作用的候选对象。后续工作将需要确定火灾损害相对于临时安装位置和残留杂物的声学影响。根据2015年的测量结果创建并校准了巴黎圣母院的几何声学模型,并根据2013年4月24日的音乐会表演记录[31],制作了虚拟的音乐会重建模型[31],未来大教堂的声学研究工作可以使用此计算机模型,最近的测量结果和模拟来使模型适应建筑物的发展状态。正如最近的研究表明,数值模拟用于研究复杂和耦合的声学条件[24]以及感知生存力[32]的可靠性一样,这种几何声学分析工作在大教堂中可以认为是可靠的。最初的工作将集中在2020年的火后状态,以归因于各种变化的声学影响。这些结果将提供给重建团队,然后可以将该模型进一步用于评估项目期间建筑重建建议的声学影响。声学模型可用于研究重建过程中可能的演化,其自850年前建造以来,还可用于探索巴黎圣母院的声学演化。几个世纪以来,大教堂的许多元素发生了变化,从法国大革命期间发生的各种建筑翻新和破坏到用于不同活动的各种装饰,无论是宗教的政治,政治以及整个季节,巴黎大教堂圣母院的音响效果在整个历史上都不是一成不变的,而是其环境和人类占领的不断发展的无形产物。结合历史研究成果,声学模型和相关的虚拟模拟可用于探索和体验这些先前的状态[33]。作者贡献:概念化,B.F.G.K.和A.W .;方法学,B.F.G.K.和A.W .; B.F.G.K.软件;验证,B.F.G.K。和A.W .;形式分析,B.F.G.K。和A.W.; B.F.G.K.调查和A.W .;资源,B.F.G.K.;数据策划,B.F.G.K .;写作-原始草案准备,B.F.G.K。和A.W.;写作-审查和编辑,B.F.G.K。和A.W .;可视化,B.F.G.K.和A.W .;监督,B.F.G.K .; B.F.G.K.项目管理;资金获取,B.F.G.K.所有作者均已阅读并同意该手稿的发行版本。资金来源:这项工作的部分资金来自“尚蒂尔圣母大学”,而CNRS跨领域和跨学科研究计划(MITI)也投入了资金。欧盟JPI文化遗产项目PHE提供了额外的支持,以探索建筑声学和音景的文化遗产。这项工作的2015年阶段部分由法国ECHO项目(授权号ANR-13-CULT-0004),echo-projet.limsi.fr和BiLi(授权号FUI-AAP14,www.bili-project)资助.org)。致谢:特别感谢巴黎圣母院的工作人员在测量过程中的协助和耐心。我们还要感谢MichèleCastellengo提供了1987年音乐实验室的原始数据录音,该录音是应文化部长的要求而进行的。感谢2015年测量期间Bart Postma,Julie Meyer和Jean-Marc Lyzwa(CNSM)的协助。特别感谢Tapio Lokki对SDM分析的讨论,以及FrédéricBilliet对Notre-Dame音乐史的贡献。最后,我们要感谢Escadrone在租用2020年测量中移动设备所需的机器人方面的帮助和指导。 参考文献可在原文中查看点击:查看更多分类文章 免费试用文档翻译免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于:MDPI
2020-12-25 18:30:44
现在可以大规模生产原子级纳米线
东京都立大学 (a)TMC纳米线的图示(b)化学气相沉积。成分在氢气/氮气气氛中蒸发,使其沉积并自组装在基材上。经Ref。许可转载。1分:版权2020美国化学学会(ACS)东京城市大学的研究人员发现了一种使用化学气相沉积技术大规模制造过渡金属硫族化物自组装纳米线的方法。通过改变形成导线的基板,它们可以调整这些导线的排列方式,从原子薄板的对齐配置到成束的随机网络。这为在下一代工业电子产品中的工业部署铺平了道路,包括能量收集以及透明,高效,甚至灵活的设备。电子技术就是要使事物变得更小—例如,芯片上的较小功能意味着在相同的空间中拥有更多的计算能力和更高的效率,这对于满足由机器学习和人工智能提供动力的现代IT基础架构日益增长的繁重需求至关重要。随着设备的小型化,对复杂的接线也提出了相同的要求,这些接线将所有东西绑在一起。最终目标将是仅是一两个原子的粗细的导线。随着穿过它们的电子的行为越来越像它们生活在一维世界而不是3D世界中,这种纳米线将开始利用完全不同的物理学。实际上,科学家已经拥有诸如碳纳米管和过渡金属硫族化物(TMC),过渡金属和能够自组装成原子级纳米线的16族元素的混合物之类的材料。问题在于使它们足够长且足够大。大规模生产纳米线的一种方式将改变游戏规则。现在,由东京都市大学的Hong En Lim博士和Yasumitsu Miyata副教授领导的团队提出了一种以前所未有的大规模制造长过渡金属碲化物纳米线的方法。使用称为化学气相沉积的过程(CVD),他们发现可以根据用作模板的表面或基材以不同的排列方式组装TMC纳米线。示例如图2所示。在(a)中,生长在硅/二氧化硅衬底上的纳米线形成了随机的束网络;在(b)中,导线按照设定的方向按照下面的蓝宝石晶体的结构组装在蓝宝石衬底上。通过简单地改变它们的生长位置,团队现在可以访问以所需排列方式覆盖的厘米级晶圆,包括单层,双层和束状网络,所有这些都具有不同的应用。他们还发现,导线本身的结构是高度结晶且有序的,其性能(包括出色的导电性和类似一维的行为)与理论预测中的相符。 (a)在硅/二氧化硅晶片上生长的纳米线的扫描电子显微镜照片。(b)在晶体蓝宝石衬底上生长的纳米线的原子力显微镜图像。(c)对齐导线的扫描透射电子显微镜图像。(d)从末端看,单根TMC纳米线的扫描透射电子显微镜图像,并带有结构示意图。经Ref。许可转载。1个学分:美国化学学会(ACS)拥有大量的长且高度结晶的纳米线肯定可以帮助物理学家更深入地表征和研究这些奇异的结构。重要的是,这是朝着在透明灵活的电子设备,超高效设备和能量收集应用中看到原子细线的实际应用迈出的令人兴奋的一步。 (左)(a)图示了在基板上组装的不同形式的TMC。(b)纳米线单层,(c)纳米线双层和(d)3D束的透射电子显微镜图像的横截面的扫描透射电子显微镜图像。点击:查看更多物理学文章 其他分类文章 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2020-12-26 18:05:51
研究人员发现,控制膜的纳米级结构是清洁水的关键
由 美国宾夕法尼亚州立大学脱盐膜可作为盐水的过滤器:将水推过膜,获得适用于农业,能源生产甚至饮用的清洁水。这个过程看起来很简单,但是它包含了复杂的复杂性,数十年来一直困扰着科学家们,直到现在。宾夕法尼亚州立大学,德克萨斯大学奥斯汀分校,爱荷华州立大学,陶氏化学公司和杜邦水务公司的研究人员在《科学》杂志在线(12月31日)发表了一项重要发现,以了解膜如何从水中过滤矿物中的矿物质。该文章将在明天(1月1日)发行的印刷版封面上刊登。宾夕法尼亚州立大学化学工程与材料科学与工程学教授恩里克·戈麦斯(Enrique Gomez)说:“尽管使用了许多年,但我们对水过滤膜的工作原理仍然知之甚少。” “我们发现,如何控制纳米级膜本身的密度分布对于产水性能确实非常重要。”该团队由UT奥斯汀分校土木,建筑与环境工程学系副教授Manish Kumar领导,该团队使用了多峰电子显微镜技术,该技术将原子级详细成像与揭示化学成分的技术结合在一起,以确定脱盐膜在密度和质量上不一致。研究人员绘制了三维尺寸的聚合物薄膜密度变化图,其空间分辨率约为1纳米-小于DNA链直径的一半。戈麦斯认为,这项技术进步是理解膜中密度作用的关键。戈麦斯说:“您可以亲眼看到咖啡过滤器中某些地方或多或少的密度。” “在滤膜中,它看起来很均匀,但不是纳米级,而如何控制质量分布对于水过滤性能而言确实很重要。”戈麦斯和库玛说,这令人惊讶,因为以前认为膜越厚,产水量就越少。Filmtec现在是制造许多脱盐产品的杜邦水解决方案的一部分,与研究人员合作并资助了该项目,因为他们的内部科学家发现更厚的膜实际上被证明具有更高的渗透性。研究人员发现,厚度与避免高密度纳米级区域或“死区”无关紧要。从某种意义上说,要使水的产量最大化,整个膜上更一致的密度比厚度更重要。研究人员表示,这种理解可以使膜效率提高30%到40%,从而以更少的能量过滤更多的水-这可能是当前脱盐工艺节省成本的更新。Kumar说:“反渗透膜被广泛用于清洁水,但是我们对它们的了解还很多。” “我们不能真正说出水是如何流过它们的,所以过去40年中的所有改进基本上都是在黑暗中完成的。”反渗透膜通过在一侧施加压力来工作。矿物质留在那里,而水却流过。研究人员说,虽然比非膜脱盐工艺更有效,但仍需要大量能量,但是提高膜的效率可以减轻这种负担。戈麦斯说:“淡水管理正在成为世界范围内的关键挑战。” “干旱,干旱-随着恶劣天气的加剧,预计这个问题将变得更加严重。拥有洁净水至关重要,尤其是在资源贫乏地区。”该小组继续研究膜的结构以及脱盐过程中涉及的化学反应。他们还在研究如何为特定材料开发最佳的膜,例如可持续而坚韧的膜,以防止细菌生长。戈麦斯说:“我们正在继续用更多高性能材料推动技术发展,以阐明有效过滤的关键因素。” 点击查看更多文章点击免费使用文档翻译 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来来源于:medicalXpress
2021-01-04 18:47:52
NMR测量的焙烤时间对咖啡冲泡的感官和化学成分影响 上
焙烤时间对咖啡冲泡的特征、化学影响及DHS等(下和DHS-GC-MSJesper Alstrup1,*,Mikael Agerlin Petersen 2,Flemming Hofmann Larsen 2和MortenMünchow11. CoffeeMind,Hansstedvej 35,丹麦Valby2500;morten@coffee-mind.com2. 哥本哈根大学理学院食品科学系,Rolighedsvej 26,1958年,丹麦腓特烈斯贝格C;3. map@food.ku.dk(硕士); qcpmg1968@gmail.com(F.H.L.) * 通讯:jesper@coffee-mind.com 收到:2020年10月19日;接受:2020年12月1日;发布时间:2020年12月3日 摘要:特种咖啡行业正在发展,因此,人们对调制烘焙配置文件以向客户提供新的和多样化的感官体验的兴趣日益浓厚。本研究调查了咖啡烘焙过程“开发时间”阶段中细微变化的化学和感官效果。通过感觉描述分析(DA),气相色谱-质谱(GC-MS)和核磁共振(NMR)研究了四种烘烤曲线。多变量分析显示DA,GC-MS和NMR数据的清晰分离。延长的开发时间促进了咖啡化学和感官特性的统计上显着变化。研究结果表明,较短的显影时间可增加咖啡的果味,甜味和酸性特征,而较长的显影时间则会使咖啡的平衡朝着更加烘烤,坚果和苦的方向发展。结果提供了支持微妙的烘烤轮廓调制效果的证据。这为将开发时间作为关键控制参数纳入特种咖啡协会的认证系统,质量控制和产品开发策略奠定了坚实的基础。 关键词:咖啡烘焙;特色咖啡;烘烤概况开发时间;咖啡化学;感官评估1. 介绍 在过去的几年中,对特色咖啡的兴趣一直在稳定增长,一些较小的咖啡馆和咖啡烘焙店正在进入市场[1]。越来越多的知名度导致人们专注于在生产链的每个步骤(包括烘烤过程)中优化质量。咖啡豆的烘焙对于赋予最重要的风味特征至关重要,这是复杂的化学反应和咖啡豆物理结构变化的结果[2]。烘焙配置文件设计中注重细节是开发多样化和独特感官体验的必要条件,这在特种咖啡市场中是非常需要的[3]。烘焙过程中存在无限的可能性,并且烘焙的各种时间-温度关系可能会导致咖啡冲泡的最终风味发生明显变化。该行业当前的趋势是围绕咖啡的轻烤,以突显咖啡固有的感官特性,例如风土。这自然会降低对烤制程度的注意力,并将焦点转移到其他变量,例如在不同阶段以最佳方式对过程进行计时。烤制轮廓设计中最基本的概念之一是“开发时间”,即重要性。 其中已经在作者的先前工作中显示[4]。此阶段的定义是从“第一裂纹”处的豆子释放蒸汽压力的爆裂声到烘烤终止点的时间跨度。由于烘焙过程中释放出蒸汽,因此咖啡豆材料在烘烤过程的这一阶段特别容易受热。这会使豆类材料变干,从而使褐变反应发生得更快,从豆类材料的表面移动到中心[5]。因此,控制烘烤过程的这一阶段成为开发优质品尝产品的关键部分。但是,这一概念在学术文献中仍然被忽略。自称的烘焙专家教授了有关各种时间调整的风味影响的几种理论,并为社区所普遍接受。仍需要建立足够的证据基础,以为行业内的专业人员和教育系统提供支持。化学反应动力学的基本规则是,较高的温度会增加反应速率[6],这是焙烧炉用来控制焙烧过程的原理。通过变化的时间-温度关系可以达到相似的烘烤度,但是,据作者所知,以前没有研究隔离出特定相位调制的影响,例如显影时间。典型的烘焙研究已经研究了在烘焙过程中应用不同的设定时间-温度关系来改变杯子中的化学成分和潜在风味的效果[7-11]。以y温度指定x时间的等温条件的方法可以实现一种清晰而系统的样品开发方法,但可能会冒着过度简化烘焙过程的风险,这与特种咖啡烘焙机的实际工作相去甚远。通常,烘焙主从接近燃烧器(热源)的最大功率输出开始烘焙,然后逐步降低功率输出,以随着烘焙的进行减慢褐变反应的速度。研究方法和焙烧炉实际工作之间的巨大分歧可能会降低科学研究在适用于特种咖啡焙烧炉工作方面的相关性。因此,本研究专门针对开发时间调制,与整体开发相比,调制时间似乎对风味开发具有更高的影响烘烤时间[4]。本研究旨在通过调查调制“烘烤时间”如何影响咖啡冲泡的感官特征和化学成分来研究特种咖啡行业及其实践,如通过核磁共振(NMR)和动态顶空进样与气体结合测量色谱-质谱(DHS-GC-MS)。关于精细调制的影响的知识,就化学化合物的形成以及饮料的感知风味的变化而言,是特种咖啡行业的主要兴趣所在。这项研究需要提供证据,以使烘焙师对其工艺具有必要的信心,并为特种咖啡行业的产品开发,质量控制程序和教育系统提供坚实的研究基础。2. 材料和方法2.1. 咖啡样品制备CoffeeMind Aps通过Kontra Coffee A /S 提供了未经烘焙的生咖啡样品。这些豆类来自哥伦比亚(Juan Guillermo Henao,Marsella),100%阿拉伯咖啡,并通过“水洗”方法进行了加工。生长高度在海拔1200–1800 m处,并且豆类的水分含量为10%,密度为880 g / L(SINAR 6070 Grainpro),并且豆类的筛网尺寸为17。在Probat Probatino上进行样品烘烤(Probat-Werke,莱茵河畔的Emmerich,德国)1公斤鼓式烘烤机。使用Cropster©焙烧软件(Cropster®,萨克拉门托,CA,美国)同时记录焙烧概况数据。使用Javalytics在Agtron中测量最终的烘烤颜色®模型JAV-RDA-D(麦迪逊仪器公司,美国威斯康星州米德尔顿)进行了三次精细复制研磨咖啡。烘焙配置文件专门针对“开发时间”调制,即从“第一次破解”到烘焙终止的不同烘焙速度。烘烤的初始阶段,直至出现第一个裂纹,并且所有样品的烘烤度在所有烘烤之间都相似,因此将“显影时间”隔离为轮廓之间的唯一差异。 图1说明了四个烘烤曲线的时间-温度关系。第一次烘烤大约在570 s发生。超过此点的曲线斜率是本研究和烤制轮廓开发的重点。因此,调制的确很细微,尽管第一次破裂后的烘烤时间差异很大,但烤豆在外观上看起来是相同的。这四个曲线表示在给定的烘烤度下,从最快到最慢的潜在开发时间调制的频谱。图1.研究中包括的烘烤曲线。该图说明了“快速”,“中等”,“缓慢”和“烘焙”的时间-温度条件。第一次烘烤大约在570 s时出现。 可以用多种方法来定义烘烤程度,包括减少豆的重量,颜色或选择的化学指示剂[12-15]。这项研究测量了最终豆色所指示的烘烤程度,以说明各种时间-温度关系。本研究选择Agtron 76±1的“中等”烘烤度。烘烤之间的颜色偏差被最小化,因为先前已经证明烘烤颜色对风味有显着影响[16]。偏差为1,这对应于Javalytics®颜色分析仪的固有变化。尽管烘烤持续时间有很大差异,但仍需调整每个烘烤的最终温度,以保持相同的烘烤程度。先前其他作者已经描述了烤色显影的详细动力学[17]。对于本研究,快速烘烤在204.1°C下结束,中度在201.2°C下结束,慢速在198.4°C下结束并在191.1°C烘烤。在进行感官评估之前一周,就生产了烘焙咖啡样品。指的是特定样品的显影时间,这些样品分别命名为Fast,Medium,Slow和Baked。 “烘焙”是指咖啡中常见的一种烘焙缺陷,即第一次破裂后的时间急剧延长,温度几乎没有升高甚至没有升高[16]。开发时间的范围从“快速”配置文件中的90到“烘焙”配置文件中的390 s。中度和慢速烘烤的开发时间分别为143和266 s。 2.2. 感官评估 2.2.1. 酿造同时冲泡这四个咖啡样品,以确保饮料温度相似。冲泡程序遵循美国特种咖啡协会(SCAA)的标准,即在95℃下将5.5 g咖啡加100mL水[18]。咖啡在1.5升隔热的Bodum®Steel法国压力机(Bodum®,Triengen,瑞士)中调制,然后分装在杯子中,以确保在感官评估中三个重复样本之间具有相似性。同时将所有需要的咖啡研磨并混合,以防止对单个份量的潜在缺陷豆产生任何影响。总共向法国压榨机中添加了75克(±0.5克)研磨咖啡,以及1350克(±5克)95℃的水。将啤酒浸泡3:30分钟,然后将其搅拌10次,脱脂,最后,在4:00分钟按下柱塞。然后将冲泡的啤酒转移到热水瓶中,然后倒入评估表上的三位数编码杯子中。当咖啡冷却至55℃时就开始了评估,尽管消费者倾向于将消耗温度提高到60℃以上[19,20]。从较低的温度开始降低了烫伤的风险,并且已被证明可以在较高的温度下在微妙的风味和强烈冲击的烧烤风味之间提供更好的平衡[21]。2.2.2. 小组评估在奥斯陆举行的2017年北欧焙烧炉论坛上,招募了46位经验丰富的咖啡品尝师作为参与者。按照良好的感官规范[22]进行描述性感官分析,以评估预定义描述符的强度。这些是根据CoffeeMindAps未发布的结果以及咖啡专业人士熟悉的一般熟悉的概念选择的。评估票包括甜度,酸度,苦味,身体,涩味,烤,坚果+巧克力,水果+浆果和清洁杯。进行了简短的校准会议,以使基本口味,口感和香气的概念保持一致。向参与者介绍了每个描述符和参考资料的定义,以促进评估人员之间通用的词汇表和描述符的理解。有关详细信息,请参阅附录A。尽管参与者以前曾有过评估表的经验,但还是简要介绍了15分制量表的使用。参与者不知情,只给出了有关如何进行评估的必要信息。评估是以传统的“杯形”形式进行的,评估人员将少量给定的样品放在杯形勺子上,迅速将咖啡制成浆状以充气,最后在评估表上注明感知到的风味。将评估者分为六组,并为每组建立拔罐表,将所有3位数字编码的样本一式三份。测试现场被隔离,以防止来自准备区域的干扰并确保参与者的视线。提供去皮黄瓜,白色吐司面包和室温水形式的味觉清洁剂。评估表是通过数字方式创建的,以使评估者可以通过其智能手机执行评估。说明包括按照个人随机分配的顺序,不与其他小组成员互动,使用上颚清洁剂,并且仅用拔罐勺中的2–3口品尝每个杯子一次。感官数据的统计分析是在RStudio V1.1.463和PanelCheck V1.4.2中进行的。进行了方差分析(ANOVA),以调查样品之间感官属性的显着差异。进行了Tukey的事后测试,以调查其中哪些样本之间存在显着差异。2.2.3.核磁共振方法通过将250µL咖啡冲泡液与250 µL磷酸盐缓冲液(离子强度200mM; pH 3.55)和55µL含D2O的溶液混合,在5mm(外径)NMR管中制备用于NMR分析的样品。5.8毫米TSP-d4。根据第2.2.1节中所述的方案制备咖啡冲泡剂。核磁共振分析是使用Bruker AvanceDRX 500(11.7T)光谱仪(德国莱茵施泰滕)在Larmor频率为500.13MHz的条件下运行1H,采用双调谐反向检测BBI探针进行的。使用zgcppr脉冲序列[23]在298K下进行一维1HNMR实验。对于每个样品,使用5s的循环延迟,10,000 Hz的光谱宽度和1.63s的采集时间记录一次由128次扫描组成的测量。所有光谱均以0.0 ppm的TSP-d4参比1小时。所有1DNMR光谱均在Topspin4.0中进行处理。使用内部Matlab(版本8.3.0.532,美国马萨诸塞州内蒂克市的MathWorks®)程序以及先前对咖啡的研究发现的结果,确定各种分析物的浓度[24,25]。2.4. 动态顶空采样和GC-MS方法按照第2.2.1节中所述的方法制备咖啡,并在冲泡机上进行动态顶空采样(DHS)。对冲煮的咖啡而不是干燥的咖啡进行香气采样是为了提高DHS-GC-MS和感官评估结果比较的有效性。进行了DHS的三个重复。将20 mL准备好的咖啡转移到100 mL气体洗涤瓶中,然后加入1 mL 4-甲基-1-戊醇的5 ppm水溶液作为内标。将烧瓶放在37℃的循环水浴中,并在磁力搅拌(200 rpm)下用氮气(100 mL min-1)吹扫20分钟。在含有200 mg Tenax-TA(网眼大小为60/80,Markes International,Llantrisant,英国)的阱中收集挥发物。吹扫后,用干燥的氮气流(100 mL min-1持续10 min)从阱中除去水。使用自动热脱附装置(TurboMatrix 350,Perkin Elmer,Shelton,CT,USA)使捕获的挥发物脱附。通过将捕集阱加热至250℃,并用载气流(50 mL min-1)进行15.0min进行初步脱附。汽提的挥发物被捕集在Tenax TA冷阱(30 mg,保持在5℃)中,然后在300℃加热4分钟(二次解吸,出口分配比为1:10)。这样就可以通过加热(225°C)将挥发物快速转移到GC-MS(7890A GC与带有三轴检测器的5975C VL MSD接口的三轴检测器,来自安捷伦科技公司,帕洛阿尔托,美国加利福尼亚州圣塔克拉拉)线。挥发物的分离在ZB-Wax毛细管柱上进行(长30 m,内径0.25 mm,膜厚0.50 µm)。使用氢气作为载气,色谱柱压力保持恒定在2.3 psi,导致初始流速为1.4 mL min-1。柱温程序为:30℃下10分钟,8℃min-1下从30℃到240℃,最后在240℃下5分钟。质量光谱仪在70 eV的电子电离模式下运行。扫描了15到300之间的质荷比。使用基于PARAFAC2的软件PARADISe(哥本哈根大学,哥本哈根,丹麦)从色谱图中提取峰面积和质谱,并使用NIST05数据库鉴定质谱。峰面积除以内标物的面积用作浓度的相对量度。通过与真实参考化合物的保留指数(RI)或文献中报道的保留指数进行比较,可以确认挥发性化合物的鉴定。DHS-GC-MS数据的统计分析在JMP14.0.0(美国北卡罗来纳州卡里的SAS Institute Inc.)中进行。对确定的峰进行单向方差分析,以研究化合物在样品之间是否存在显着差异。进行了Tukey的事后测试,以调查其中哪些样本之间存在显着差异。3. 结果3.1. 感官评估总共完成了46次完全答复。表1列出了每个描述符的平均强度等级,ANOVAp值和Tukey的测试结果。评估结果显示,开发时间对除Body之外的每个描述符具有统计学上显着(p <0.001)的影响。表1.每个描述符和样本的平均感官评估得分概述。 方差分析假定值报告在右栏中。 图基的事后分析的结果以字母表示。不同的字母表示样品之间的显着差异。 “快速”样本的“酸度”,“水果+浆果”和“清洁杯”属性在统计上得分高得多。从统计学上讲,“慢”和“烘焙”的开发时间越长,其对涩味,苦味,坚果+巧克力和烤味的认识就越明显。发现在较短的开发时间内,甜度最高。考虑到细微的调制和相同的烘烤度,差异是巨大的。 在几个描述子之间观察到高度的协方差,表明通过调节烘烤过程中的显影时间对风味产生一维影响。应该质疑专家组是否能够区分看起来高度相关的某些描述符,即逻辑错误[26],或者属性是否确实以相同的方式进行调制。但是,这些效果在某种程度上是可以预料的,因为烘烤曲线的显影时间调制自然是一维参数。正如特种咖啡行业中普遍认为的那样,身体似乎不会随开发时间而变化。身体是专业人士描述咖啡的感官印象时使用的核心概念之一,特别是在烘烤轮廓方面。本研究定义了身体的概念,并提供了参考资料(附录A)以促进参与者的词汇发展和校准,但在评估中未发现差异。长期以来,人们一直推测身体如何通过烘烤曲线进行调制[27],但是目前的发现表明,发育时间对调制感官属性没有影响。尽管在面板上为词汇发展做出了努力,但描述符的难解性很可能导致难以找到显着差异。如CoffeeMind的内部研究所表明的那样,个人对身体的理解在行业中很普遍,这会导致感觉评估上的复杂性。缺乏对齐方式有望反映为数据的不一致性,这在其他描述符中也已发现[28]。当前特种咖啡的趋势强调了咖啡中高水平的酸度和果味的发展,这受到“快速”烘焙的青睐。有趣的是,由于从咖啡豆表面到中心的焙烧程度在理论上更为明显,因此传统上将极快的焙烧视为焙烧缺陷。相比之下,烤制烤制似乎具有类似于深色烤制的特征。这些通常会增加苦味,伴有烤焦甚至烧焦的味道[7]。3.2. 核磁共振NMR研究表明,咖啡调制的化学成分发生了实质性变化,这是由于调制了烘烤时间造成的。在四个样品中鉴定出十二种不同的化合物。鉴定出的化合物存在于所有四个样品中,但浓度存在显着差异。表2列出了四种咖啡样品中鉴定出的化合物及其变化。通常,“快速”分析物的总浓度较高在“烘焙”中最低,最低。鉴定出的酸显示浓度普遍下降,且显影时间延长。 表2.在通过不同焙烧曲线制备的咖啡样品的1H NMR光谱中观察到的分析物浓度(mM,不确定度+/- 0.02mM)。在NMR光谱中未发现碳水化合物,这是由于在其他化合物的3-6ppm光谱区域中出现了非常强烈的峰。检查光谱范围为4.3-5.5 ppm(碳水化合物中的异头质子的峰的区域)中未分配的峰,得出的结论是,任何碳水化合物的浓度均低于0.5 mM。3.3. DHS-GC–MS通过动态顶空进样与气相色谱-质谱联用(DHS-GC-MS)来测量显影时间调制对香气化合物的影响。从色谱图中可以提取质谱图和146个峰的面积。初步方差分析(ANOVA)表明,咖啡样品中的49个峰的水平存在明显差异,其中39个峰的保留指数可确认其同一性。表3汇总了这些化合物。其他主要气味可以识别出多少咖啡,但由于样品之间的差异不大,因此未包含在表格中。因此,该表仅包括有关特定显影时间调制的目标香气。 “快速”和“烘焙”样品的化学成分差异最大,而“中等”和“慢速”样品之间的差异很小。通常,更快的烘烤到达较高温度的顶部空间中的挥发物含量更高,这与作者将咖啡豆置于等温条件下一致[17]。下一节将更深入地描述这些差异。 表3.在动态顶空进样(DHS)-GC-MS分析中鉴定出的化合物的选择。表格中仅包含样品之间的平均相对峰面积有明显变化的化合物。Tukey事后分析的结果以字母表示。不同的字母表示样品之间的显着差异。(1)图书馆价值来自2019年Bethesda国立卫生研究院PubChem。 3.4. 感官和工具变量之间的相关性使用分析软件LatentiX 2.12版(LatentiX,腓特烈堡,丹麦)进行多变量分析。使用完全交叉验证创建了基于NMR和GC-MS数据(X,自动缩放)和感官数据(Y)的偏最小二乘(PLS)模型,以研究感官属性与化合物之间的相关性。前两个分量足以解释85%的方差。大部分变化是由成分1(76%)解释的,该成分沿x轴产生了清晰的分离,如图2的Bi图所示。“烘焙”和“快速”,对应于烘焙配置文件的极端值。 “慢”具有“烘焙”样本的特征,而“中”和“快速”具有细微差异,但相关性很高。 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:MDPI
2020-12-28 18:06:18
焙烤时间对咖啡冲泡的特征、化学影响及DHS等(下
上部分文章点击: NMR测量的焙烤时间对咖啡冲泡的感官和化学成分影响 (上3.4. 感官和工具变量之间的相关性使用分析软件LatentiX 2.12版(LatentiX,腓特烈堡,丹麦)进行多变量分析。使用完全交叉验证创建了基于NMR和GC-MS数据(X,自动缩放)和感官数据(Y)的偏最小二乘(PLS)模型,以研究感官属性与化合物之间的相关性。前两个分量足以解释85%的方差。大部分变化是由成分1(76%)解释的,该成分沿x轴产生了清晰的分离,如图2的Bi图所示。“烘焙”和“快速”,对应于烘焙配置文件的极端值。 “慢”具有“烘焙”样本的特征,而“中”和“快速”具有细微差异,但相关性很高。图2.具有NMR和GC-MS数据(x)和感觉数据(y)的PLS模型Bi图。 PLS模型清楚地分离了NMR和GC-MS数据,预测了分别表征“快速”和“烘焙”烘烤的感官属性。因此,发现了两组主要的化合物用于相应的两组感觉属性。这些列于表4。表4.显影时间调制对咖啡样品的感官特征和化学特性的影响。所提供的化合物在给定的样品中占主导地位,在其他样品中也可能以较低的量发现。
2020-12-30 18:00:06
用二氧化碳制造喷气燃料
鲍勃·伊尔卡(Bob Yirka),Phys.org图片来源:Unsplash / CC0公共领域与英国多个机构和沙特阿拉伯一个机构相关的一组研究人员已经开发出一种以二氧化碳为主要成分生产喷气燃料的方法。该小组在《自然通讯》杂志上发表的论文中描述了他们的过程及其效率。随着科学家继续寻找减少排放到大气中的二氧化碳量的方法,他们越来越关注某些商业领域。这些行业之一是航空业,约占与交通有关的二氧化碳排放量的12%。由于难以在飞机内部安装重型电池,遏制航空业的碳排放已成为一项挑战。在这项新的努力中,研究人员开发了一种可用于生产碳中性喷气燃料的化学工艺。研究人员使用了一种称为有机燃烧方法的过程,将空气中的二氧化碳转化为喷气燃料和其他产品。它涉及使用铁催化剂(添加了钾和锰)以及加热到350摄氏度的氢气,柠檬酸和二氧化碳。该过程迫使碳原子与CO 2分子中的氧原子分开,然后与氢原子键合产生包含液体喷气燃料的碳氢化合物分子。该过程还导致产生水分子和其他产物。测试表明,在20个小时内,该过程将加压室内的38%的二氧化碳转化为喷气燃料和其他产品。所述喷气燃料组成所产生的48%的产品,其余为水,丙烯和乙烯。研究人员还指出,在飞机上使用这种燃料是碳中和的,因为燃烧它会释放出与制造它相同数量的二氧化碳。研究人员还声称,他们的过程比用于生产飞机燃料的其他方法(例如将氢和水转化为燃料的方法)更便宜-主要是因为它消耗的电量更少。他们还指出,转换系统可以安装在目前排放大量二氧化碳的电厂中,例如燃煤电厂。 点击查看:更多分类文章 其他分类文章免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。
2021-01-03 17:00:19