Классификация конструкционной древесины по магнитной нейтральности: шкала чистоты N-grade для материалов аудиоопор с характеристикой следовых парамагнитных примесей в экваториальном тике

Рынок аудиофильских проводников организован вокруг чистоты. Бескислородная медь продаётся как 4N (99.99 процента), 5N, 6N и — на пределе возможностей электролитического рафинирования — 7N. Считается, что каждая дополнительная девятка устраняет центр рассеяния, примесь на границе зерна, парамагнитное включение. Сохраняется ли слышимое преимущество последней девятки в контролируемом прослушивании — отдельный вопрос, рассмотренный в другой работе этого журнала; здесь существенно то, что отрасль располагает строгим, количественным и общепонятным языком для описания чистоты проводника. Для всего остального такого языка у неё нет. Кабель классифицируют до семи девяток, а затем кладут на пол, крепят к стене или укладывают на опору совершенно неопределённого состава. Опору выбирают по цвету. Таково положение древесины в аудиосистеме: она несёт конструкционную нагрузку, непрерывно физически соприкасается с сигнальным проводником и при этом остаётся метрологически невидимой. Мы считаем это неприемлемым. Материал опоры, соприкасающийся с кабелем, входит в непосредственное диэлектрическое и магнитное окружение кабеля. Если он содержит ферромагнитные включения — частицу стружки ленточной пилы, обломок скобы, железо, которое дерево извлекло из почвы и связало в ядровой древесине, — вдоль трассы возникает локальный скачок магнитной проницаемости. Если материал гигроскопичен и полярен, он вносит распределённую, зависящую от влажности ёмкость. Именно эти величины призван контролировать класс чистоты самого проводника. Непоследовательно задавать для одного шесть девяток, а другое оставлять на усмотрение краснодеревщика. В этой работе предлагается классификация конструкционной древесины по N-grade, определённая не химической чистотой в объёмном смысле — древесина примерно наполовину состоит из углерода и никогда не будет «99.999 процента древесиной» в сколько-нибудь осмысленном значении, — а единственным свойством, посредством которого древесина взаимодействует с трактом аудиосигнала: остаточным содержанием парамагнитных примесей и создаваемой ими объёмной магнитной восприимчивостью.

Сухая древесина диамагнитна. Целлюлоза, лигнин и связанная вода обладают небольшой отрицательной объёмной магнитной восприимчивостью, и чистая, свободная от загрязнений древесина имеет chi_v = -6 x 10^-6 (SI, безразмерная объёмная восприимчивость), что соответствует относительной магнитной проницаемости mu_r = 0.999994 — неотличимой от единицы и фактически совсем немного меньшей её. Таким образом, совершенно нейтральная древесина не просто немагнитна; она слабо и воспроизводимо диамагнитна, а именно это является правильным и желательным состоянием для материала, которому надлежит находиться в статическом и квазистатическом поле, не возмущая его. Отклонения от этого базового уровня почти полностью обусловлены парамагнитными примесями переходных металлов, среди которых преобладает железо, а марганец занимает далёкое второе место. Дерево работает как минеральный насос: извлекает ионы металлов из почвенной воды и неравномерно откладывает их в своих тканях. Возникающее содержание железа меняется от нескольких частей на миллион в чистой плантационной лиственной породе до сотен частей на миллион в породах, чья танниновая химия активно хелатирует железо. Каждая часть на миллион железа вносит небольшую положительную прибавку к восприимчивости, поднимая древесину от её диамагнитного дна к магнитной нейтральности, а у худших пород — и выше неё. Поэтому мы определяем класс нейтральности древесины по совокупной массовой доле железа и марганца и, эквивалентно, по измеренному отклонению объёмной восприимчивости от диамагнитного базового уровня: - 4N (99.99 процента нейтральности): Fe + Mn <= 100 ppm. Типичный уровень неотобранной мебельной древесины. - 5N (99.999 процента нейтральности): Fe + Mn <= 10 ppm; остаточная восприимчивость в пределах +/- 1 x 10^-6 от диамагнитного базового уровня. Спецификация поставки Equatorial Audio. - 6N (99.9999 процента нейтральности): Fe + Mn <= 1 ppm; суммарная восприимчивость остаётся диамагнитной в пределах неопределённости измерения. Достижимо при отборе отдельных заготовок. - 7N: Fe + Mn <= 0.1 ppm. В настоящей работе зафиксировано для двух из 340 проверенных тиковых заготовок. Не является серийным классом. Мы признаём, что эти проценты представляют собой риторическое заимствование из принятой для металлов системы, а не показатель объёмного состава; «99.999 процента нейтральности» означает 10 ppm существенной примеси, а не 10 ppm недревесного вещества. Мы сохраняем это обозначение, поскольку читатель уже привык рассуждать в нём и поскольку исходная величина — части на миллион парамагнитных примесей — измеряется точно так же, как рафинировщик меди измеряет примеси в катоде.

Для присвоения класса заготовке требуются три независимых магнитных и химических измерения — поиск ферромагнитных включений, определение объёмной восприимчивости и анализ следовых металлов, — а также диэлектрическая характеристика для моделирования инсталляции. Поиск ферромагнитных включений. Каждую заготовку пропускают на моторизованном столе со скоростью 20 mm/s через массив феррозондовых градиометров (Bartington Grad-13, три оси, разрешение 1 nT). Градиометр обнаруживает отдельные ферромагнитные включения — внедрённые гвозди, дробь, стружку ленточной пилы, обычные загрязнения всякой древесины, прошедшей через промышленное оборудование, — вплоть до субмиллиметровых частиц на глубине 30 mm. Вторичная и спасённая древесина регулярно не проходит это испытание; главным образом поэтому блоки Equatorial Elevation Blocks изготавливаются из плантационного сырья первого прохода и никогда — из вторичной древесины, сколь бы романтическим ни было её происхождение. Объёмная восприимчивость. Из каждой принятой заготовки извлекают керн диаметром 12 mm и измеряют его в вибрационном магнитометре (Lake Shore 8600, чувствительность 5 x 10^-8 emu) при 300 K. VSM возвращает суммарную объёмную восприимчивость, по которой непосредственно определяется магнитный критерий класса. Чистый тик даёт отрицательное значение; дубовый керн часто даёт положительное. Анализ следовых металлов. Затем измеренный керн измельчают после замораживания, подвергают микроволновому разложению в смеси азотной и плавиковой кислот и анализируют методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) на Fe, Mn, Ni, Co и Cr. Это тот же дендрохимический протокол, который используют для восстановления истории загрязнений по годичным кольцам, только применённый здесь с целью, которой, как мы готовы признать, его создатели не предвидели. Показатель Fe + Mn задаёт химический критерий класса; магнитный и химический критерии должны совпадать в пределах диапазона класса, иначе заготовка отклоняется как внутренне противоречивая — обычно это указывает на включение, пропущенное градиометром. Диэлектрическая характеристика. Для моделирования инсталляции мы измеряем относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь на обработанных образцах с помощью экранированной ячейки с параллельными пластинами и анализатора импеданса (Keysight E4990A) в диапазоне от 20 Hz до 10 MHz, вдоль и поперёк волокон, после кондиционирования до влажности 8, 12 и 16 процентов. Эти показатели не входят в класс нейтральности — диэлектрик не является магнитной примесью, — но определяют распределённую ёмкость, которую готовая опора вносит в кабель, и приводятся вместе с классом в сертификате каждого изделия.

Было проверено одиннадцать пород, по n = 20 заготовок каждой. Результаты отчётливо разделились на три группы. Не прошедшие испытание. Белый дуб (Quercus alba) показал худший результат: от 41 до 190 ppm железа и суммарная положительная восприимчивость у 14 из 20 заготовок. Причина знакома каждому, кто оставлял стальную струбцину на влажном дубе на ночь: высокое содержание таннинов в дубе хелатирует железо с образованием танната железа — иссиня-чёрного соединения железо-галловых чернил, — и потому дуб активно концентрирует именно ту примесь, которую штрафует данная классификация. Дуб — прекрасная древесина и магнитно враждебная. Орех и вишня показали себя лучше, но их средний класс всё равно составлял 4N или ниже. Травы и композиты. Бамбук, который часто продают как экологичную «древесину», является травой с высоким содержанием кремнезёма и непредсказуемой химией узлов; его восприимчивость определялась минеральными включениями масштаба волокон, и устойчивый класс ему присвоить не удалось. Древесноволокнистая плита средней плотности (MDF) не прошла по совершенно другой оси: её карбамидоформальдегидное связующее сильно полярно, что даёт относительную диэлектрическую проницаемость от 4 до 6 и тангенс угла потерь на порядок выше, чем у цельной древесины, а производство делает плиту восприимчивой к внедрению металлической пыли. MDF исключается как материал опоры по диэлектрическим основаниям ещё до рассмотрения магнитного класса. Результат тика. Плантационный тик (Tectona grandis), выращенный в пределах 5 deg от геомагнитного экватора, показал от 3 до 9 ppm Fe + Mn для 20 заготовок, суммарную диамагнитную восприимчивость каждого образца и класс 5N в состоянии поставки. При отборе отдельных заготовок по VSM и ICP-MS требованиям 6N удовлетворила 31 из 340 проверенных заготовок, а требованиям 7N — две. Преимущество экваториального тика не мистично: он быстро выращивается на управляемых плантациях с выщелоченными почвами, бедными железом, заготавливается молодым до глубокого накопления минералов в ядровой древесине и лишён таннин-железной химии, которая подводит дуб. Его диэлектрическая постоянная 2.1 при влажности 12 процентов — самая низкая среди всех испытанных пород и приближается к показателям конструкционных пеноматериалов, применяемых в радиочастотной оснастке.

Класс древесины является свойством древесины, а не предмета, в который она превращается, — и наиболее распространённый способ уничтожить хороший класс состоит в нанесении покрытия. Почти все масляные, лессирующие и лаковые покрытия отверждаются металлическими сиккативами: солями кобальта, марганца и циркония с нафтеновой или 2-этилгексановой кислотой, добавляемыми в долях процента для катализа окислительной сшивки, которая упрочняет плёнку. Кобальт и марганец парамагнитны, и содержание сиккатива всего 0.05 процента металла в расчёте на квадратный метр готовой поверхности вносит больше парамагнитной массы, чем содержится во всей лежащей под ней заготовке 5N. Мы измерили тиковой образец 5N до и после одного слоя обычного покрытия на основе варёного льняного масла: его приведённая к поверхности восприимчивость поднялась от диамагнитного базового уровня до суммарного положительного значения, переклассифицировав образец с 5N на класс ниже 4N. Древесина не изменилась. Покрытие вернуло загрязнение — и поместило его точно на поверхности, в непосредственном контакте с кабелем, то есть в худшем возможном месте. Таково измерительное, а не эстетическое основание поставлять блоки Equatorial Elevation Blocks без покрытия. Покрытие на последнем этапе и в наиболее магнитно активном месте свело бы на нет весь процесс отбора, благодаря которому заготовка получила свой класс. Серебристо-серая патина, которая с возрастом образуется на непокрытом тике, представляет собой элементарное окисление собственной поверхности древесины; она не добавляет парамагнитного металла и является косметическим изменением, но магнитно — никаким событием.

Древесина диэлектрически анизотропна. На наших тиковых образцах относительная диэлектрическая проницаемость вдоль волокон превышала поперечную на 22–28 процентов при влажности 12 процентов, и тангенс угла потерь следовал той же оси. Физическая причина состоит в ориентированной трубчатой клеточной структуре и ориентации диполей связанной воды вдоль волокна. Для материала опоры эта анизотропия — не помеха, которую следует усреднить, а конструктивная переменная. Кабель лежит в желобе, выточенном на верхней грани каждого блока, поэтому доминирующая ёмкостная связь между кабелем и опорой проходит через короткий вертикальный столб древесины непосредственно под желобом. Обрабатывая каждый блок торцом вверх — годичные кольца видны на верхней грани, а волокна идут вертикально вдоль пути нагрузки, — мы ориентируем поперечную ось с меньшей проницаемостью в горизонтальную плоскость, где поле кабеля наиболее сильно, а продольную ось с большей проницаемостью оставляем для вертикального несущего направления, где она не причиняет электрического вреда и приносит существенную механическую пользу. Первоначально ориентация торцом вверх была принята ради жёсткости при сжатии; диэлектрический довод в её пользу возник позднее из этих измерений и независимо подтвердил выбор. Влажность определяет всю картину. И диэлектрическая проницаемость, и тангенс угла потерь резко растут с содержанием связанной воды, поэтому каждую классифицированную заготовку сушат в печи на месте происхождения до 12 +/- 1 процента, а регламент обслуживания предписывает ежегодную проверку влажности. Опора, набравшая влагу с 12 до 18 процентов, изменила свой диэлектрический вклад больше, чем его когда-либо изменит различие между породами.

Предлагаемая здесь шкала N-grade намеренно опирается на систему, которой читатель уже доверяет. Аудиофил, готовый платить за шестую девятку чистоты медного проводника, уже принял исходное положение: остаточные парамагнитные примеси и центры рассеяния, измеряемые в частях на миллион, заслуживают контроля. Мы лишь применили это положение и тот же класс измерений к материалу, на котором лежит проводник, — и обнаружили, что привычка отрасли классифицировать металл до шести девяток, оставляя его на неклассифицированной, содержащей железо и активные таннины лиственной древесине, представляет собой асимметрию, которая не выдерживает произнесения вслух. Экваториальный плантационный тик достигает нейтральности 5N в состоянии поставки и 6N после отбора по причинам совершенно прозаическим: условия роста с низким содержанием железа, ранняя заготовка, отсутствие таннин-железной химии, низкое содержание смол и общий со всей чистой древесиной диамагнитный базовый уровень. Это не волшебный материал. Это чистый материал, измеренный, классифицированный и оставленный без покрытия, чтобы таким и остаться. Каждый блок Equatorial Elevation Block поставляется с сертификатом, где указаны класс его заготовки, показатель Fe + Mn и измеренная восприимчивость. Мы предлагаем читателю запросить эквивалентные цифры у любого другого изготовителя аудиоопор и принять к сведению ответ.