Vzduchové hospodářství

Varhany jsou dechový nástroj, pro svou práci tedy potřebují dostatek vzduchu s patřičnými parametry (především stálým tlakem). Vzduch rozeznívá všechny píšťaly, u varhan s pneumatickou či smíšenou trakturou navíc uvádí do pohybu mechanismy spojující hrací stůl a vzdušnice.

Vzduchové hospodářství varhan se skládá z několika základních částí – zdroje stlačeného vzduchu (čerpadla), zásobníku vzduchu (měchu) a rozvodů (vzduchovodů). Funkce čerpadla a zásobníku může být sloučena v jednom celku (čerpací měch). Tyto základní části jsou v nástroji doplněny dalšími nezbytnými prvky (regulátory, směrové a zpětné ventily či záklopky, amortizátory a pomocná zařízení, např. tremolo), které v součinnosti zajišťují správnou funkci varhan.

Základním prvkem vzduchového hospodářství je měch. Zajišťuje rovnoměrnou dodávku stlačeného vzduchu a je tedy nezbytným elementem každého nástroje tohoto typu. Umožňuje stlačit vzduch na požadovaný tlak (současně je i jeho zásobníkem) a hnát jej speciálním vedením a kanálky ke všem spotřebičům (píšťalám, pneumatickým zařízením, relé…) v nástroji.

Čerpací a zásobní funkce byly nejdříve realizovány pomocí jediného měchu, později se pro zvýšení účinnosti čerpání měchy rozdělují a vznikají různé konstrukce čerpacích a zásobníkových měchů. Cílem je maximální využití síly svalů kalkanta (osoby obsluhující měchy) k naplnění zásobníku. V současnosti jsou čerpací měchy (a tím i lidská práce kalkanta) nahrazovány elektrickým ventilátorem ve funkci čerpadla vzduchu. Přesto je funkce měchu v nástroji nezastupitelná (ani sebedokonalejší regulací čerpadla nezajistíme dostatek vzduchu s konstantním tlakem při hře s proměnnou dynamikou).

Elektrický ventilátor nalezneme dnes i u historických nástrojů, u nich však i nadále zůstává také čerpací měch, obsluhovaný pomocí ručních či nožních pák (šlapadel). Slouží jako „havarijní“ zdroj vzduchu a používá se i v případech, kdy chceme provozovat hudbu na historickém nástroji v autentických podmínkách. Pak je při hře nezbytná spolupráce dvou (u velkých varhan i více) osob – varhaníka a kalkanta (uvědomujete si, že když chtěl dříve varhaník např. cvičit přímo na nástroji, potřeboval k tomu další osoby?).

V historických nástrojích narazíme dodnes na zařízení, svědčící o spolupráci varhaníka a kalkanta - zvonek na kalkanta - kalkantník (u nás např. u velkých Mundtových varhan v chrámu Panny Marie před Týnem v Praze). Zvonek je obsluhován přímo z hracího stolu (pomocí pák a táhel, řešených podobně jako rejstříkové rukojeti) a umožňuje varhaníkovi informovat kalkanta o začátku a konci čerpání vzduchu bez nutnosti opustit místo za hracím stolem (především u větších varhan byly čerpací měchy vzdálené od stolu, často i v oddělené místnosti).

Je-li měch ve větší vzdálenosti od vzdušnice, nemůže zajistit ve vzduchovodu konstantní tlak v případě silně kolísajícího odběru (ten je pro varhany typický – hru na několik píšťal slabého rejstříku střídá hra na desítky až stovky píšťal v plénu…). Je to dáno vlastnostmi stlačeného vzduchu, poklesne-li tlak v určitém místě systému, trvá nějakou chvíli, než do tohoto místa přiteče další vzduch a tlak se vyrovná. Tlak vzduchu ve vzdušnici však kolísat nesmí - i malá změna tlaku by vedla k rozladění. Proto se na vzduchovod či přímo ke vzduchojemu ve vzdušnici (ventilové komoře) přidává další malý měch ve funkci kompenzátoru (jiné označení - amortizátor, tlumič, vyrovnávací měch, nárazový měch):

Při náhlém stoupnutí spotřeby vzduchu se jeho nedostatek doplní ze zásoby, shromážděné v tomto vyrovnávacím měchu a naopak, v okamžiku náhlého poklesu spotřeby se jeho přebytek akumuluje. Jako amortizátory se používají nejčastěji malé klínové či rovnoběžné měchy. Na následujícím obrázku je příklad uspořádání vzduchového hospodářství, složený z měchu, vzduchovodu a vzdušnice. Vzhledem na velkou délku vzduchovodu je tento doplněn amortizátorem, tvořeným rovnoběžným měchem připevněným přímo na konduktu.

Víko kompenzačního měchu musí být pro udržení stanoveného tlaku opatřeno závažím (patrné i na ilustraci). Kompenzátor může být montován i na svislém vzduchovodu, pak je potřebný tlak na víko vyvíjen pružinami. V odůvodněných případech (dlouhé a vícenásobně lomené vzduchovody) může být kompenzátorů i více, docílí se tím podstatně stabilnějšího tlaku vzduchu.

Varhanářství používá i řešení, kdy se místo amortizátoru na vzduchovodu (předchozí příklad) použije regulátor tlaku (kompenzátor) přímo ve vzdušnici (ve ventilové komoře – vzduchojemu):

Tento regulátor plní stejnou funkci, jako kompenzátor na vzduchovodu. Konstrukčně se jedná o měch s pohyblivou deskou, která je jednou hranou spojena závěsem s částí vzdušnice. Zbývající hrany desky jsou volně (ale současně vzduchotěsně) spojeny se vzdušnicí pomocí záhybu z kůže. Tlak na desku je vyvíjen pomocí pružin, v okamžiku naplnění vzduchojemu stlačeným vzduchem se deska dostane do střední polohy, kolem které se volně pohybuje v závislosti na okamžité spotřebě vzduchu.

Jak kompenzační (nárazové) míšky, tak i regulátory tlaku ve vzdušnicích zabraňují z principu své funkce rozladění v důsledku kolísání tlaku vzduchu, brání tedy i vzniku tremola. Jejich funkce tak přímo znesnadňuje až znemožňuje kolísání tlaku při použití tremulátoru. Efekt tremolo totiž pracuje na přesně opačném principu – záměrným rozkolísáním tlaku vzduchu ve vzdušnici rozechvěje znějící tóny. Pokud jsou varhany vybaveny tremolem, je nutné po dobu jeho funkce zabránit amortizátoru ve vyrovnávání tlaku v příslušné vzdušnici. Kompenzační měch pak musí být vybaven uzávěrem, který jej po tuto dobu odpojí od vzduchovodu. Na následující fotografii je příklad provedení amortizátorů, konstrukce vpravo je doplněna o vypínací zařízení:

Další fotografie zachycuje vyrovnávací míšek přímo na vzduchovodu varhan. Jeho konstrukce je mírně odlišná od obrázku z katalogu a předchozích nákresů (používá vinuté ocelové pružiny), princip je však shodný:

Jinou možností, používanou v současné době, je spojení regulátoru tlaku a tremulátoru do jednoho celku. Míšek funguje normálně jako amortizátor, po rozpohybování jeho horní desky pomocí agregátu tremola je zdrojem kolísání tlaku vzduchu.

Kompenzační měchy jsou instalovány na vzduchovodech – vzduchových kanálech – konduktech, které spojují měch se vzdušnicí (jedná se v podstatě o vedení – potrubí). Průřez kanálu musí odpovídat množství vzduchu, které jím proudí. Nedostatečný průřez může způsobit nedostatek vzduchu v místě spotřeby a příliš velké kolísání tlaku, což má nepříznivý vliv na výsledný zvuk nástroje.

Vzduchovody se dříve zhotovovaly výhradně ze dřeva a měly pravoúhlý čtvercový či obdélníkový průřez. U důvodu těsnosti jsou všechny suky přelepeny koženou záplatou, vnitřek vzduchovodu je natřen klihem a zvnějšku se polepuje silným papírem. Současné varhanářství využívá často ohebných vroubkovaných potrubí či hadic z plastů nebo lehkých kovů („husí krk“). Výhodou těchto materiálů je především snazší přizpůsobení složitějším tvarům, např. při nutnosti obejít nějakou překážku. Není pak nutno vytvářet složité konstrukce s mnoha záhyby, jak tomu bylo v případě pravoúhlých vzduchovodů z desek, což má příznivý vliv na proudění vzduchu uvnitř potrubí.

Pro bezvadnou funkci varhan je nutné, aby vzduch ve vzduchovodu proudil laminárně, bez vírů. V opačném případě vzniká dodatečný hluk (šum) a kolísání tlaku. Pro zachování rovnoměrného proudění je nutné dodržet při konstrukci vedení některá pravidla. Průřez vedení se nesmí měnit skokem, nesmějí vznikat ostré hrany a slepé kouty a především všechny zlomy musí mít tupý úhel. Největší problémy vznikají v okamžiku změny směru o 90°, realizovaného pomocí přímého spojení dvou potrubí (obrázek).
Z hlediska proudění vzduchu je lepší (i přes vyšší pracnost a cenu) rozdělit spoj na dva či více stupňů, docílí se tím plynulejšího proudění bez víru na vnitřní hraně a v slepém vnějším koutu.

Varhany jsou vybaveny jedním, častěji ale několika měchy. Potřeba více měchů je častá u velkých varhan s velkou spotřebou vzduchu a také u nástrojů, které pro některé skupiny píšťal či některá pneumatická zařízení potřebují jiný tlak vzduchu. V tomto případě potřebujeme tolik měchů, kolik tlaků vzduchu chceme získat. Různého tlaku vzduchu se docílí různou hodnotou závaží (nebo tlaku pružin) na horní desky příslušných měchů. Takto docílený tlak je pro každý z měchů konstantní.

Kontrolu tlaku v měchu a navazujícím vzduchovodu umožňuje zpravidla měřicí otvor, ke kterému se připojuje manometr. Jeho nejjednodušší provedení ukazuje obrázek – jedná se o skleněnou trubici, zahnutou do tvaru U a částečně naplněnou vodou. Připojíme-li jednu stranu trubice k měřicímu otvoru (např. elastickou hadičkou), přetlak v měchu vytlačí část vody v trubici do otevřené poloviny trubice, kde na hladinu vody působí jen atmosférický tlak (v klidu jsou obě hladiny ve stejné výšce). Hladiny se zastaví v okamžiku, kdy dojde k rovnováze mezi přetlakem vzduchu na levé straně a tíhou vodního sloupce, odpovídajícího rozdílu hladin v obou částech trubice. Tento rozdíl hladin, měřený v mm, odpovídá tlaku vzduchu v měchu a udává se právě v mm vodního sloupce (1 mm WS odpovídá cca 9.82 Pa). Přestože se nejedná o fyzikální jednotku SI, mm vodního sloupce jsou varhanáři považovány za jednotku základní. Vzhledem k přímému odečtu ze stupnice vodního manometru a vzhledem k velikostem tlaku ve varhanách se jedná o jednotku nejvýhodnější. I výrobci varhanních komponentů a především čerpadel vzduchu udávají tlaky v těchto jednotkách.

Ve varhanách se používají běžně dva tlaky vzduchu – normální, v rozsahu 30 až 120 mm WS a vysoký, v rozsahu 200 až 650 mm WS. Pro docílení vysokého tlaku jsou zapotřebí ventilátory speciální konstrukce. Tlaky v tomto rozsahu stačí pro napájení varhan běžné konstrukce. Základní (normální) tlak se používá pro retné a jazýčkové píšťaly, vysoký tlak pro speciální jazykové hlasy a pro některé pneumatické mechanismy. Vysoký tlak sice umožňuje docílit značné mohutnosti (hlasitosti) zvuku píšťal, děje se to však na úkor ušlechtilosti varhanního zvuku (vznik nežádoucích harmonických a pazvuků, špatná pojivost hlasů atd.). Varhanáři se proto nejčastěji kloní k názoru, že normální tlak vzduchu ve varhanách by se měl pohybovat okolo 70, maximálně 100 mm WS ( okolo 700 Pa nebo 0,007 at.).

Použití pouze jednoho měchu umožňuje využití jen jednoho tlaku, ten je pak společný jak pro píšťaly, tak i pro pneumatické zařízení (trakturu a pomocná zařízení). Rozdělení tlaků lze docílit jen použitím samostatných měchů pro každý tlak. Ty pak mohou být plněny jedním společným ventilátorem (či dříve čerpacím měchem). Rozdílných tlaků se docílí různým zatížením víka měchu a oddělením měchů od přívodu vzduchu samostatnými regulačními záklopkami (princip je popsán v podkapitole o ventilátorech).

Tlak vzduchu ve varhanách je důležitou veličinou. Jakákoliv jeho změna má vliv nejen na ladění, ale také na intonaci píšťal. Před každým laděním nástroje je proto vhodné tlak zkontrolovat. Slouží k tomu zpravidla měřicí otvory, umístěné na vzduchovodech a opatřené zátkou, ke kterým lze připojit manometr. V blízkosti otvoru bývá štítek s údajem o tlaku vzduchu v příslušném místě. Tlak vzduchu je závislý na hmotnosti závaží víka měchu, toto závaží se nesmí měnit. Jako závaží jsou často používány cihly, naskládané na víku měchu. Pokud nejsou uzavřeny ve schránce, je vhodné zkontrolovat a zapsat jejich počet, neboť se často záhadně ztrácejí (zvláště když probíhají nějaké stavební úpravy v blízkosti varhan…). Někdy je tlak na horní desku měchu vyvíjen pomocí pružin. Toto řešení je poruchovější, pružiny podléhají únavě, korozi a navíc stabilního tlaku dosahují jen v omezeném rozsahu natažení.

Použití více měchů pro každý stroj (manuál či pedál) nástroje samostatně, umožňuje kromě individuálního nastavení tlaku také oddělené použití tremola. U varhan s jedním měchem je možné jen sborové tremolo (pro celý nástroj současně). Jedinou výjimku představuje tremolo pro jeden hlas (rejstřík). Jeho konstrukce je možná jen v podélné vzdušnici s rejstříkovými kancelami, kdy tremulátor působí jen na jednu vybranou kancelu (hlas). U nejrozšířenější zásuvkové vzdušnice (příčné, s tónovými kancelami) je tato konstrukce nemožná, hlasy s tremolem by musely mít samostatnou vzdušnici.