Tónová pneumatická traktura

Pneumatická hrací traktura je systém, spojující klávesy v hracím stole s tónovými ventily ve vzdušnici pomocí stlačeného vzduchu. K jeho vedení používá trubičky – rourky a další komponenty tak, že se přenos pohybu klávesy na pohyb příslušného ventilu děje jen pneumatickou cestou. Tento systém traktury se často souhrnně nazývá „rourková pneumatika“.

Na následující ilustraci řezu varhanami s kuželkovou vzdušnicí a rejstříkovými kancelami je hrací traktura zvýrazněna červenou barvou. (Podrobnější popis jednotlivých součástí je uveden na úvodní stránce "Pneumatická traktura").

Činnost pneumatické traktury spočívá v přenosu tlakového impulsu od hracího stolu (klávesy) po příslušný tónový ventil ve vzdušnici. Stisk klávesy způsobí otevření řídícího ventilu (prvního na pomyslné dráze od klávesy k píšťale) a vpuštění tlakového vzduchu do vedení. Po cestě k ventilu pod píšťalou může vzduch procházet celou řadou vložených ventilů s různou funkcí (kombinace, kolektivy, spojky) až k relé pod vzdušnicí (u velkých varhan může být jeho cesta přerušena i několika dalšími mezirelé).

Animace představuje činnost jedné klávesy v pneumatickém systému. Na klávesu nemusí hráč působit příliš velkou silou (na pneumatické varhany se ve srovnání s mechanickými systémy hraje poměrně lehce, má to však své pro i proti…). Díky této síle se nadzvedne ventil ve vzduchové komoře, nacházející se bezprostředně nad klávesami a stlačený vzduch naplní k ventilu připojenou rourku vedoucí k relé ve vzdušnici. Následující animace uvádí příklad konstrukce manuálové klaviatury s tímto pneumatickým systémem:

V hracím stole varhan s pneumatickou trakturou je vestavěna vzduchová komora. Je to podlouhlý zásobník nevelkých rozměrů, naplněný stlačeným vzduchem (spojený konduktem s měchem). V této komoře jsou umístěny řídicí ventily, spojené s klávesami. Ventilů je tolik, kolik je kláves, stisk každé klávesy způsobí otevření odpovídajícího ventilu. Pod každým ventilem je malá komůrka (kancela), ve které se nachází vstupní otvor příslušné rourky (těch je také tolik, kolik je kláves – tónů).

Načrtnuté uspořádání je jen jedním z mnoha, můžeme se setkat s celou řadou odlišných konstrukcí, např. na této animaci je řešení na bázi klapkového ventilu, spojeného s klávesou nepřímo přes abstrakt (tahací drát).

V předchozích případech byly řídící ventily, ovládané klávesou v tlakové funkci - vpouštějící vzduch do vedení. V klidovém stavu je vedení od těchto ventilů bez tlaku. V pneumatické traktuře lze ale využít i opačné řešení – výpustný systém, který je v klidu pod tlakem a řídicí ventily mají výpustnou funkci (nebo kombinovanou výpustně – tlakovou).

Na animaci je uveden příklad výpustného systému v hracím stole. Stlačený vzduch ve vedení je v klidovém stavu dodáván do systému ze vzduchové komory (někde dále v traktuře, např. v navazujícím relé). Stisk klávesy otevře výpustný ventil a z rourky unikne tlakový vzduch (tlak se vyrovná s atmosférickým). Tento impuls se přenese dále do traktury a je příčinou zapůsobení navazujícího prvku (např. relé).

Vzduchový kanál, napájející pneumatický systém se samozřejmě může nacházet i přímo v hracím stole. V něm je pak umístěn dvojčinný ventil (s funkcí výpustně – tlakovou), který po stisku klávesy vypouští vzduch z vedení k navazujícímu prvku.
Konstrukce řídícího ventilu závisí na tom, jaký pneumatický systém zvolil pro svůj nástroj varhanář (zda systém tlakový či výpustný).
Co se děje dále se vzduchem vpuštěným či vypuštěným do či z rourek v hracím stole? Princip je jednoduchý – stisk klávesy (či pohyb jiného ovládacího prvku) a tím změna stavu řídícího ventilu (otevření pro vpuštění či vypuštění vzduchu) musí na opačném konci traktury způsobit vykonání odpovídající činnosti (zaznění píšťaly, vpuštění vzduchu do kancely, přesunutí zásuvky apod.). I když je základní princip jednoduchý, zkonstruování dobře a precizně fungujícího pneumatického systému už tak prosté není, neboť je nutné překonat mnohé záludnosti a omezení, které přináší využití stlačeného vzduchu.
V prvé chvíli se může zdát, že nejjednodušší by bylo řešení načrtnuté na následující animaci:

Stisk klávesy otevírá kuželkový ventil, který vpouští vzduch do rourky (konduktu), který vede přímo k píšťale (ventil by tak byl současně řídicí i výkonný člen). Toto řešení je však z více praktických důvodů nepoužitelné. Rourka, vedoucí od hracího stolu k píšťale je zpravidla značné délky a tlak a množství vzduchu v ní by nestačily ke korektnímu nasazení tónu píšťaly. Kromě toho různé píšťaly potřebují různé množství vzduchu pro správnou intonaci a znění (navíc s konstantním tlakem, jinak se rozlaďují). Bylo by tedy nutné používat rourky různých průměrů a ventily v hracím stole různých, mnohdy velkých rozměrů (hluboké tóny). Jedna klávesa by mohla ovládat jen jednu píšťalu, určitě by šlo ovládat současně více píšťal (např. více rejstříků, při doplnění o systém jejich vypínání), to by ale vyžadovalo další zvětšení průřezu rourek i ventilů, aby se všem dostávalo odpovídajícího množství vzduchu.
Další vady tohoto uspořádání vyplývají z fyzikálních vlastností stlačeného vzduchu (pružnost, ztráty tlaku při vedení v rourkách, hlavně na ohybech…) a v konečném důsledku znemožňují použití této jednoduché konstrukce ve větších nástrojích. Do traktury je nutno vložit další člen – relé (jeho konstrukce a princip jsou popsány v části komponenty pneumatické traktury).
Vložením relé dojde k oddělení ovládací a pracovní části a získáme pneumatický systém s lepšími vlastnostmi:

V tomto příkladě je využito jedno relé, které je současně výkonným (akčním) členem – výkonová část relé vpouští čerstvý vzduch přímo do píšťaly. Toto uspořádání má o něco lepší vlastnosti, než výše uvedené a mohlo by být využita v případě ovládání jednotlivého hlasu blízko klaviatury nebo jiného, nepříliš vzdáleného zařízení (jiného než píšťaly). V naprosté většině případů (od určité délky rourky, přesahující cca několik metrů) se však jeví také jako nedostačující.
Vzduch (vlastně směs plynů) je stlačitelný, což způsobuje, že v uzavřeném prostoru může zvětšovat či snižovat svůj objem a tlak. Čím větší je vzduchový sloupec (tj. v čím delší rource je vzduch uzavřen), tím má horší vlastnosti jako nositel impulsů.
Ve většině případů a vždy, když je řídicí ventil více vzdálen od výkonného členu, nejsou tyto navzájem přímo spojeny jedinou dlouhou rourkou, i když by se takové řešení nabízelo jako nejprostší. S ohledem na korektní, spolehlivou funkci a především rychlost práce soustavy však nejjednodušší řešení není možné použít. Díky výše nastíněným nevýhodným vlastnostem stlačeného vzduchu bude na delší vzdálenosti spolehlivěji a hlavně rychleji pracovat několikastupňový systém s jedním nebo i několika vloženými relé (mezirelé) a to i přesto, že každé z těchto relé pracuje s konečnou rychlostí a zavádí tak do cesty přenosu impulsu určité zpoždění. Praxe ukazuje, že rozdělení traktury na několik kratších úseků a použití většího množství součástí sice dělá konkrétní nástroj složitější, jeho technické i umělecké vlastnosti (ovladatelnost, přesnost ozevu tónu…) jsou však podstatně vyšší, než u byť jednoduchých, přesto však nevalných nástrojů s přísně jednoduchou stavbou pneumatiky.
Na následující animaci je přestavena funkce třístupňové traktury (jednotlivé stupně – relé jsou ve skutečnosti podstatně dále od sebe a jsou propojeny dlouhým rourkovým vedením:

V příkladu jsou uvedeny všechny nejčastěji používané komponenty pneumatické traktury – ve vzduchové komoře v hracím stole (1) se nachází řídicí ventil, který je ovládán hráčem prostřednictvím klávesy. Dlouhá rourka, která tlakovým impulsem ovládá výkonný ventil (tónový) v rejstříkové kancele ve vzdušnici je rozdělena na kratší úseky. Do každého z nich je vloženo mezirelé (2,3,4) tvořící jednotlivé stupně systému (skupiny). Každé z relé přijímá impuls z předchozího stupně (přivedený tlakový vzduch) a předává jej dalšímu stupni (opět jako tlakový vzduch ale s novým – „čerstvým“ tlakem). Animace je pro názornost zpomalená, skutečná traktura pracuje podstatně rychleji.

Pneumatická traktura může spolupracovat se všemi používanými typy vzdušnic. Konstrukce jednotlivých komponentů bude vždy prakticky shodná, lišit se bude jen poslední – výkonný (akční) člen. U každé ze vzdušnic lze použít celou řadu konstrukčních řešení, ukážeme si zde pro zjednodušení a názornost jen ty nejrozšířenější z nich. (Pro další zjednodušení je v příkladech uvažováno jen s jednostupňovou trakturou).
První příklad ukazuje spojení pneumatické traktury s nejčastějí používanou tónovou vzdušnicí (zásuvková vzdušnice s tónovými kancelami).

Hrací stůl je se vzdušnicí spojen prostřednictvím rourky. V závislosti na tom, zda je rourka naplněna stlačeným vzduchem (klávesa stisknuta) či ne, mění se poloha ventilu s kuželkou, která spočívá na membráně.

V klidovém stavu (rourka od hracího stolu je bez tlaku) jsou otevřeny oba otvory ve ventilové komoře a vzduch může volně proudit mezi komorou a vnitřkem klínového míšku. Tlaky vně i uvnitř míšku jsou vyrovnány a tónový klapkový ventil je uzavřen (zvedá jej pružina pod klapkou a částečně i tlak vzduchu v komoře).

Stisk klávesy vpustí vzduch do rourky a způsobí nadzvednutí membrány i na ní ležící kuželky ventilu. Tento ventil uzavírá otvor, kterým vzduch proudil do míšku a současně s ním spojený kontraventil umožní volný odchod (výfuk) vzduchu z míšku do okolí. Vzniklý tlakový rozdíl (trvající přetlak ve ventilové komoře oproti tlaku uvnitř míšku, který se rychle vyrovnává s atmosférickým) způsobí stlačení míšku, jeho horní deska se sklopí a přes táhlo (drát) s sebou stáhne i klapku tónového ventilu, který se tak otevře. Stlačený vzduch z ventilové komory proudí do tónové kancely a píšťaly mohou zaznít.

V okamžiku uvolnění klávesy se celá soustava vrací do klidového stavu. Popsaná funkce je znázorněna ve zpomaleném tempu na následující animaci:

Takto jednoduché uspořádání má jednu nevýhodu – pohyb míšků uvnitř ventilové komory způsobuje mírné změny tlaku v této komoře. Ty mohou mít vliv na ozev píšťal (mírné rozlaďování, „zhoupnutí“ už znějícího tónu při pohybu míšku dalšího tónu atd.). Proto se často pro míšky staví samostatná vzduchová komora s vlastním přívodem vzduchu (viz fotografie).

Nejčastěji uváděné nevýhody pneumatické traktury jsou složitá konstrukce s mnoha díly (menší spolehlivost), většinou obtížné odstraňování závad (nesnadný přístup k některým elementům) a hlavně znatelné zpoždění, způsobené omezenou rychlostí proudění vzduchu v konduktech. Zpoždění lze mírně zmenšit jen umístěním hracího stolu co nejblíže varhanám.

Pneumatická traktura může spolupracovat i s rejstříkovými vzdušnicemi (např. kuželkovou vzdušnicí s rejstříkovými kancelami).

Podobně jako v předchozím příkladě i tady klávesa ovládá bezprostředně jen ventil v hracím stole. Stlačený vzduch pak proudí rourkou a ovládá relé pod vzdušnicí (mechanismus relé je na obrázku zvýrazněn).

Relé je dodatečný prvek v traktuře, umístěný u vzdušnice a řídící tok vzduchu v konduktech. Ventilů ve vzduchové komůrce a navazujících konduktů je tolik, kolik je kláves (pokud na vzdušnici nejsou dodatečné píšťaly pro oktávové spojky). Není-li v rource, přicházející od hracího stolu stlačený vzduch, kuželka ventilu v relé leží na splasklém míšku a uzavírá tak přívod vzduchu do příslušného konduktu.

I v tomto případě narážíme na problém zpoždění tónu (čas mezi stiskem klávesy a zazněním píšťaly). Zpoždění opět vzniká na dlouhé cestě stlačeného vzduchu od klávesy k píšťale. Tu zde tvoří nejenom rourky, ale i kondukty pod vzdušnicí. Čím je více hlasů, tím více míšků je na konduktu a tím je kondukt delší (dáno určenými rozměry vzdušnice) a jeho naplňování je nerovnoměrnější a trvá déle. V krajním případě může dojít až k nesoučasnému zaznění píšťal různých hlasů (postupně od kraje vzdušnice).

Výše představené systémy pracují na aktivním – tlakovém principu – ventil se otevře po natlakování vedení. Ve varhanách se ale můžeme setkat i s trakturou na výpustném principu, kde tlakový vzduch v klidovém stavu drží ventily uzavřené, ty se otevřou po jeho vypuštění (odtud název „výpustný, výpustka“). Výpustné systémy jsou v současnosti považovány za „slepou cestu“ ve varhanářské praxi, v době svého vzniku však byly mnohdy řazeny mezi špičkové.

Příklad vzdušnice s výpustným systémem ukazuje následující obrázek. Tento typ membránové vzdušnice bývá někdy označován dle svého tvůrce jako Witzigův. Vzdušnice má rejstříkové kancely (podélný typ vzdušnice) s tónovými ventily ve dně kancel.

Stejně jako ve všech příkladech, týkajících se pneumatické traktury i zde máme klávesu, která ovládá ventil ve vzduchové komůrce v hracím stole a rourku, která dovede vzduch k relé pod vzdušnicí. Relé má poněkud odlišnou konstrukci, než v aktivních systémech, jiný je i způsob uzavírání otvorů k píšťalám.

Základem sacího (výpustného) systému je spojení ventilu s membránou a pružinkou (pružina usnadňuje a zlepšuje práci ventilu). Díky tomuto klíčovému komponentu se často tento typ vzdušnic nazývá „membránová“ nebo „tobolková“. Samotná membrána je z jemné kožené blány, v současnosti se často kůže nahrazuje plastovými fóliemi (viz obrázky).

Kroužek na membráně je plstěný, což zajišťuje dobrou těsnost a bezhlučnou funkci ventilu. Jak spolupracuje relé a membrány ve výpustném systému?

V klidovém stavu (klávesa v hracím stole není stisknuta) je ventil v relé v takové poloze, že se vzduch z komůrky relé dostane do konduktu napájejícího zespod membrány. V rejstříkových kancelách (napájených vzduchem přes rejstříkový ventil, který zde není znázorněn) je stlačený vzduch, obklopující vtokový otvor píšťaly. Tento otvor je nyní zakryt těsnícím kroužkem, který k němu tiskne nadmutá membrána, proto nemůže proudit dále do píšťaly a tón nezní. Vzduch v kancele sice tlačí na membránu shora, ta je však nadzvedávána tlakem vzduchu v konduktu a silou pružinky takže nedovolí otevření otvoru píšťaly.

Situace se mění až po stisku klávesy. Přítok vzduchu z traktury do míšku relé způsobí nadzvednutí ventilu v něm a zastavení přívodu vzduchu do konduktu k membránám. Současně se otevírá spřažený kontraventil a ten vypustí vzduch z konduktu. Tlak pod membránami se sníží až na úroveň okolního atmosférického tlaku. Vzduch v rejstříkových kancelách zapnutých rejstříků (u nezapnutých je tlak roven tlaku atmosférickému a díky pružince při rovnosti tlaků zůstane membrána v klidu) působí na membrány silou stejnou, jako před stiskem klávesy, v tuto chvíli mu však díky neexistenci protitlaku pod membránou stojí v cestě jen síla pružinky. Membrána proto poklesne, těsnící kroužek se vzdálí od vtokového otvoru píšťaly a vzduch z kancely do ní může volně proudit. Tón zazní.

Vzdušnice tohoto uspořádání pracují správně, pokud vzduch v rejstříkových kancelách má mírně nižší tlak, než vzduch pod míšky (pracovní). Následující animace ilustruje činnost celého systému pneumatické traktury s membránovou vzdušnicí:

Vzdušnice tohoto typu se vyznačují velmi přesnou a rychlou funkcí (s možností přesné a rychlé hry včetně repetice). Problematická je ale jejich funkce v okamžiku poškození některé z membrán.
V aktivním systému se jakékoliv poškození (míšku, membrány) projeví nefunkčností příslušného ovládaného prvku (píšťala nezní). Tato porucha je méně nepříjemná než opačný efekt u výpustného systému, kde závada míšku či membrány způsobí trvalé znění postiženého tónu (píšťaly). Nežádoucí znění píšťaly lze velmi obtížně při hře zakrýt (naopak neznějící píšťala se při hře více rejstříky snadno ztratí a mnoho posluchačů ji ani nepostřehne). Často jediným řešením je pak vyjmutí postižené píšťaly z nástroje. Dalšími nevýhodami jsou vysoká citlivost na změny teploty a vlhkosti a pracná (obtížná) výměna poruchových membrán (obtížnější, než je výměna míšku na konduktu pod vzdušnicí u aktivního systému). Proto se v současné době tento typ vzdušnice už nestaví.

Membránová vzdušnice může používat jak vodorovné membrány (předchozí příklad), tak i membrány svislé. Princip funkce je v obou případech stejný, liší se jen konstrukce a poloha vtokového otvoru k píšťale.

Na souvisejících stránkách jsou popsány nejčastěji používané komponenty pneumatické traktury, rejstříková traktura, traktura spojek a pneumatická pomocná zařízení v kapitolách o crescendu a kolektivech a volných kombinacích.