Kuželková vzdušnice

Kuželková vzdušnice je jednou z konstrukčních variant vzdušnic s rejstříkovými kancelami. Svůj název dostala od podoby ventilů – ty jsou tvořeny tělískem ve tvaru obráceného kužele. U této vzdušnice má každá píšťala (s výjimkou vícesborových hlasů, např. mixtur) svůj ventil, ventilů je tedy ve vzdušnici tolik, kolik je rejstříků krát počet tónů na klaviatuře. Přestože má tento typ vzdušnice podstatně více součástek, než např. klasická zásuvková vzdušnice, řadí se mezi velmi robustní a provozně spolehlivé.

U této vzdušnice, stejně jako u všech ostatních s rejstříkovými kancelami, se rozdělování vzduchu jednotlivým rejstříkům děje pomocí otevření rejstříkového ventilu, který ovládá jeho přítok do podélného kanálu přes celou délku vzdušnice. Tato část cesty vzduchu je u této i všech dalších variant vzdušnic s podélnou konstrukcí shodná (lišit se může jen konkrétní konstrukce ventilu, viz úvodní kapitola o vzdušnicích s rejstříkovými kancelami).

Aby vzdušnice mohla plnit i svou druhou funkci – přidělování vzduchu jednotlivým tónům, musí se do každé kancely přidat ještě tónové ventily. U kuželkové vzdušnice mají tyto ventily, jak již bylo zmíněno v úvodu, podobu kuželek:

Vlastní pracovní část ventilu mívá někdy tvar polokoule nebo je zcela plochá, přesto ji pro jednoduchost vždy nazýváme kuželkou. Sama kuželka je vysoustružena ze dřeva (v současnosti se někdy používá některý z tvrdých plastů nebo lehký kov). Z důvodu utěsnění je její spodní část polepena měkkou kůží. Otvor v desce, ve kterém je kuželka usazena, je vrtán do tvaru kužele o stejném vrcholovém úhlu, jaký má tělísko kuželky a jeho povrch je v poslední výrobní operaci vypálen, tím se zajistí jeho naprosto hladký povrch a těsnost ventilu, navíc je částečně zuhelnatělá vrstvička dřeva velmi tvrdá a trvanlivá (tento způsob výroby ventilu se dnes někdy nahrazuje použitím kompletní sestavy kuželka + sedlo, vyrobené průmyslově např. lisováním z plastu či kovu, spodní část – sedlo se do příslušné desky zalisuje a zalepí).

K horní – ploché části kuželky je připevněna vodící destička (stabilizační vidlice). Destička je výřezy na koncích nasazena na stabilizační bodce, které při pohybu kuželky brání jejímu překlopení a současně otáčení (umožňuje to použití regulační matičky – oříšku na trnu kuželky, pokud by se tato mohla otáčet, matička by se mohla samovolně povolovat a zároveň by ji nešlo regulovat bez dodatečného přidržení kuželky).

Kuželka uzavírá otvor do výstupního kanálku seshora, odtud se tento typ vzdušnice někdy nazývá vzdušnice s horním uzavíráním - vrchními ventily).

Na fotografii je zachycen fragment vnitřku rejstříkové kancely s několika kuželkovými ventily, které zakrývají vstupní otvory kanálků k píšťalám jednoho hlasu varhan.

Animace ukazuje příčný řez částí vzdušnice (jednou rejstříkovou kancelou). Kancela je naplněna stlačeným vzduchem (je tedy navíc otevřen rejstříkový ventil, který zde není znázorněn). Kuželka kryje shora otvor ventilu vlastní vahou, navíc na ni dodatečně působí i tlak vzduchu v kancele. Zapůsobí-li na ventil síla, přenesená trakturou od stisku klávesy (jakýmkoliv mechanismem, tj. mechanicky, pneumaticky či elektricky), kuželka se nadzvedne, odkryje otvor pod sebou a vpustí do něj vzduch, který pak volně proudí do píšťaly. Pokud síla zanikne, kuželka opět vlastní vahou a působením tlaku vzduchu poklesne, otvor těsně zakryje a zastaví tak přívod vzduchu píšťale. Současně se tím odkryje spodní otvor pod vzdušnicí (kontraventil), přes který zbytek vzduchu volně unikne do okolí.

Tato konstrukce ventilu představuje precizní provedení s velmi přesnou funkcí ovládání přívodu vzduchu k píšťale s jednoznačným nasazením i ukončením znění tónu. V některých případech, kdy není vyžadována vysoká přesnost vypnutí přívodu vzduchu, není nejspodnější otvor tak velký (nemá funkci kontraventilu) a prochází jím jen drátěná oska ventilu.

Dále uvedené nákresy řezů vzdušnicí ukazují většinou právě toto zjednodušené řešení ventilu, pod vzdušnicí je tedy jen regulační matička (oříšek) a chybí druhý – těsnící kroužek.

V plně vybaveném kuželkovém ventilu je možná vzájemná regulace polohy všech tří jeho hlavních částí – samotné kuželky vůči těsnícímu kroužku, který uzavírá výpustný otvor a vůči oříšku, který se opírá o poslední – akční člen traktury (nákres kuželky na začátku střánky). Řešeno je to tak, že oska ventilu (svislá tyčka) je ve spodní části opatřena závitem, na který jsou spodní dvě součásti – těsnicí kroužek a oříšek našroubovány.

Někdy bývá konstrukce zjednodušená tím, že se těsnicí kroužek opírá přímo o kuželově opracovanou horní stranu oříšku (na vedlejší ilustraci), při regulaci se tedy pohybuje současně s ním. Toto řešení se používá především u menších ventilů, kde není požadována tak precizní regulace.

Vraťme se teď ke konstrukci samotné kuželkové vzdušnice. Stejně jako u všech ostatních vzdušnic s podélnou konstrukcí i tady najdeme dlouhé kanály – rejstříkové kancely, probíhající po celé délce vzdušnice. Nad každou z těchto kancel stojí jedna řada píšťal, patřící stejnému rejstříku ( s výjimkou smíšených hlasů, např. Mixtury, kdy je řad píšťal více). Aby bylo možné řídit tok vzduchu z kancely k píšťalám, je na dně kancely řada ventilů, jejichž počet odpovídá počtu tónů (pokud se nejedná o nástroj s extenzí, pak je jich o oktávu či několik oktáv více). Tato řada ventilů je v každé kancele.

Následující animace ukazuje právě takové řešení vzdušnice. V každé kancele (na obrázku jsou pro jednoduchost jen tři, ve skutečnosti jich bude více – tolik, kolik je na dané vzdušnici rejstříků) je skupina kuželek, které uzavírají otvory do kanálku k píšťalám.

Vzduch se do kancely dostane z ventilové komory po otevření rejstříkového ventilu. Ten je na animaci rovněž v podobě kuželky, můžeme se ale setkat i s klapkovým ventilem. Všechny ventily jsou uváděny do pohybu prostřednictvím traktury, která je (na animaci) pro jednoduchost vynechána.

Animace ukazuje pohyb tónového i rejstříkového ventilu, u skutečné vzdušnice se však tónové ventily nikdy nepohybují samostatně, ale vždy ve skupinách, odpovídajících jednomu tónu (vždy celá příčná řada ventilů najednou). Na fotografii je pohled do jedné kancely. Na jejím vzdálenějším konci je ve dně obdélníkový otvor, přikrytý zespodu klapkovým ventilem. Přes něj se po otevření tohoto ventilu do kancely dostává stlačený vzduch. Po celé délce kanálu kancely jsou rozmístěny kuželky, přikrývající vstup do malých kanálků, které po dvojí změně směru průběhu vyvádí vzduch směrem nahoru – k píšťale. Výstupy těchto kanálků jsou vidět jako otvory na horní hraně bočních stěn kancely.

Na tomto obrázku jsou píšťaly jednoho hlasu, usazené v otvorech horní desky vzdušnice (píšťalnicích) právě nad otvory kanálků od ventilů. Všechny píšťaly jednoho hlasu jsou rozmístěny na vzdušnici v podélném směru. Pokud je kancela naplněna vzduchem (rejstřík je zapnutý), každý stisk klávesy otevře odpovídající ventil a píšťala příslušného tónu zazní.

Tady je na obdobném nákresu ukázáno rozmístění píšťal jednoho tónu. Píšťaly stojí na vzdušnici ve směru příčném. Po stisknutí příslušné klávesy se otevřou ventily pod celou příčnou řadou píšťal současně, zazní však jen ty, které budou mít v odpovídající kancele stlačený vzduch. Ten se do kancel dostane přes rejstříkové ventily po zapnutí příslušného rejstříku registračním aparátem na hracím stole.

Shrneme-li si možnost ovládání ventilů, princip je bez ohledu na typ a provedení traktury stejný – stisk klávesy otevře současně celou řadu ventilů pod píšťalami příslušného tónu ve všech kancelách (tedy v příčné řadě). Na animaci jsou to tři ventily, u skutečného nástroje jich může být i několik desítek, v závislosti v počtu hlasů na té které vzdušnici. Neznamená to však automaticky, že všechny tyto píšťaly zazní, k tomu musí být splněna i druhá podmínka – v kancele hlasu, ke kterému patří musí být rejstříkovým ventilem vpuštěn vzduch. Ten pak po otevření ventilu pokračuje kanálkem, který postupně mění směr ze svislého na vodorovný a zpátky na svislý až k píšťale. Jak to vypadá v pohybu ukazuje následující animace:

Na následující fotografi je pohled na část kuželkové vzdušnice shora po odstranění píšťal a píšťalnic. V podélném směru zde probíhá devět kanálů - rejstříkových kancel, jedná se tedy o varhany s devíti rejstříky. Na dně kancel jsou tónové ventily, z obrázku si můžete udělat představu o jejich množství (zachycena je jen necelá polovina vzdušnice, vidět jsou ventily pro 27 tónů - C strana). Menší ventily ve středu obrázku jsou pro úsporu místa v podélném směru umístěny v kancelách ve dvou řadách. Zřetelné jsou různé velikosti ventilů (podle velikosti píšťal - výšky tónu) i výstupní otvory v přepážkách mezi kancelami.

Další fotografie pak zachycuje tutéž vzdušnici zespodu. Ve směru příčném na kancely probíhají pod vzdušnicí ventilové lišty, které jsou uváděny do pohybu trakturou (tady mechanickou). Každá lišta tak nadzvedává celou řadu ventilů - kuželek jednoho tónu. U každé kuželky je vidět regulační oříšek (opírá se shora o lištu) a těsnicí kroužek s koženým těsněním, našroubovaným na hřídelce kuželky.

Dosud jsme se v popisu této vzdušnice nezabývali mechanismem, který uvádí ventily do pohybu. Tímto mechanismem je traktura, která zprostředkovává přenos pohybu klávesy na ventily. Kuželková vzdušnice může spolupracovat se všemi používanými typy traktur (jak tónová, tak i rejstříková část). Předchozí fotografie ukazovala část traktury mechanické, následující nákres pak ukazuje příklad spojení této vzdušnice s pneumatickou trakturou:

Činnost všech zařízení, zobrazených na tomto obrázku je uvedena v kapitole o pneumatické traktuře.

Kuželkové vzdušnice (stejně jako všechny ostatní typy vzdušnic s rejstříkovými kancelami) mají poměrně velké rozměry a velké množství součástek (prakticky každá píšťala nástroje má svůj ventil na rozdíl od vzdušnic s tónovými kancelami, kde stačí jeden ventil pro celou skupinu píšťal jednoho tónu).

Každý stisk klávesy způsobí současné otevření mnoha ventilů, důležité je proto důkladné vyregulování celého zařízení traktury i samotných ventilů tak, aby se jejich otevření a uzavření dělo skutečně ve stejný okamžik. Na této ilustraci je řez kuželkovou vdušnicí s mechanickou trakturou (jedno z mnoha možných konstrukčních řešení). Je vidět, že všechny ventily jsou nadzvedávány pomocí jediného abstraktu, který tahá za raménka úhelníků pod každou z kuželek. Podrobný popis tohoto i jiných řešení a použitých komponentů najdete v kapitole o mechanické traktuře. Každý z ventilů se samostatně vyreguluje pomocí našroubovaného oříšku v dolní části. Proces regulace může být poměrně komplikovaný v případě, že jsou použity zdvojené ventily (velké píšťaly potřebují někdy tak mnoho vzduchu, že jej jediný ventil s omezenou výškou zdvihu nemůže dodat, proto se použijí dva propojené ventily, pracující do jediného výstupního kanálku).

Jednou z možností, jak zmenšit rozměry kuželkové vzdušnice, je použití svislých přepážek s kanálky k píšťalám společně pro dva sousedící rejstříky (kancely). Takové řešení (s elektropneumatickou trakturou, která je podrobně popsána v samostatné kapitole) ukazuje následující obrázek:

Z důvodu přístupu ke vzdušnici zespodu (při regulaci kuželek a dalších částí pod vzdušnicí) musí být vzdušnice tohoto typu v nástroji zabudována poměrně vysoko nad podlahou, což určitým způsobem limituje svislé rozměry nástroje. Jak je patrné z předchozích ilustrací a animací, samotný ventil – kuželka, se nachází uvnitř kancely shora, v případě potřeby (vyskočení kuželky z vodicích kolíků, netěsnost apod.) je přístup k němu možný jen po odstranění píšťal a demontáži píšťalnic – horních desek na vzdušnici.

Jako všechny ostatní konstrukce vzdušnice má i kuželková vzdušnice své výhody a nevýhody. Největší nevýhodou je závislost síly, nutné ke zvednutí kuželek (a tím i síly, potřebné ke stisku klávesy u nástroje s mechanickou trakturou) na počtu zapnutých rejstříků. Proti pohybu totiž kromě tíhy kuželky působí i tlak vzduchu, tlačící na její povrch v kancelách zapnutých rejstříků. Kuželky pro velké píšťaly (nízké tóny) jsou navíc větší - tudíž těžší a větší je tak i síla od tlaku vzduchu. Hra na spodní tóny je proto o poznání obtížnější. Síla, potřebná ke stisku klávesy u velkých nástrojů může v některou chvíli (více zapnutých rejstříků) přesáhnout i deset Newtonů (cca 1kg). Na nástroje této konstrukce si řada varhaníků v historii stěžovala (při nutné velké ovládací síle je rychlá a přesná hra na nástroj prakticky nemožná), proto se postupně varhanáři snažili tento nedostatek odstranit použitím jiné traktury, nejprve mechanicko – pneumatickým strojem (Barkerova páka), později pneumatickou trakturou. I u těchto traktur má na jejich vlastnosti vliv změna podmínek (síly, potřebné k otevření všech ventilů jednoho tónu v závislosti na počtu zapnutých rejstříků), neprojevuje se zde ztížením ovládání (větší potřebnou silou na klávese), ale např. mírně zvětšeným zpožděním odezvy traktury. (Více v kapitolách o trakturách).

Na navazujících stránkách najdete popis dalších modifikací vzdušnic s rejstříkovými kancelami - membránové vzdušnice a vzdušnice se svislými ventily.

Další stránky o vzdušnicích se zabývají základními konstrukčními variantami vzdušnic s tónovými kancelami - zásuvková vzdušnice, ventilová vzdušnice, pružinová vzdušnice a skříňová vzdušnice (Unit).