Яка схема підключення батареї опалення краще – варіанти та способи підключення, переваги та недоліки. Яка схема підключення батареї опалення краще - варіанти та способи підключення, переваги та недоліки Відмінності між основними видами підключення

Ефективність роботи опалювальної системи залежить від грамотного вибору схеми підключення батарей опалення. Ідеально, якщо при невеликій витраті палива радіатори здатні генерувати максимальну кількість тепла. У матеріалі ми розповімо про те, які бувають схеми підключення радіаторів опалення в багатоквартирному будинку, в чому особливість кожної з них, а також які фактори варто враховувати при виборі конкретного варіанту.

Чинники, що впливають на ефективність радіатора

Головні вимоги до системи опалення – це, безумовно, її ефективність та економічність. Тому до її проектування необхідно підходити вдумливо, щоб не упустити всілякі тонкощі та особливості конкретного житлового приміщення. Якщо ви не маєте достатніх навичок для створення грамотного проекту, краще довірити цю роботу фахівцям, які вже зарекомендували себе і мають позитивні відгуки від клієнтів. Покладатися на поради знайомих, які рекомендують ті чи інші способи підключення радіаторів, не варто, оскільки у кожному конкретному випадку вихідні умови будуть різні. Простіше кажучи - що підходить одному, не обов'язково підійде іншому.

Тим не менш, якщо ви все ж таки хочете займатися підведенням труб до радіаторів опалення самостійно, зверніть увагу на наступні фактори:

розмір радіаторів та їх теплова потужність;
розміщення опалювальних приладів усередині будинку;
схема підключення.

Сучасному споживачеві на вибір представлені різні моделі опалювальних приладів - це і навісні радіатори з різних матеріалів, і плінтусні або підлогові конвектори. Відмінність між ними полягає не тільки в розмірах та зовнішньому вигляді, але й способах підведення, а також ступеня тепловіддачі. Всі ці фактори вплинуть на вибір варіантів підключення радіаторів.

Залежно від розміру опалювального приміщення, наявності або відсутності утеплюючого шару на зовнішніх стінах будівлі, потужності, а також рекомендованого виробником радіаторів типу підключення, буде різнитися кількість та габарити таких приладів.

Як правило, радіатори розміщують під вікнами або в простінках між ними, якщо вікна знаходяться один від одного на великій відстані, а також у кутах або вздовж глухої стіни кімнати, у ванній, передпокої, коморі, нерідко – на сходових клітках багатоквартирних будинків.

Щоб направити теплову енергію від радіатора всередину кімнати, бажано прикріпити спеціальний екран, що відображає між приладом і стіною. Такий екран можна зробити з будь-якого фольгованого матеріалу, що відображає тепло - наприклад, пінофолу, ізоспану або будь-якого іншого.

Перед тим, як приєднати батарею опалення до системи опалення, зверніть увагу на деякі особливості її встановлення:

у межах одного житлового приміщення рівень розміщення всіх батарей має бути однаковим;
ребра на конвекторах мають бути спрямовані вертикально;
середина радіатора повинна збігатися з центральною точкою вікна або може бути зміщена на 2 см вправо або вліво;
загальна довжина батареї повинна становити від 75% ширини віконного отвору;
відступ від підвіконня до радіатора повинен бути не менше 5 см, а між приладом та підлогою має бути не менше 6 см зазору. Найкраще залишати 10-12 см.

Зверніть увагу, що від правильного вибору способів підключення радіаторів опалення в багатоквартирному будинку залежатиме не тільки тепловіддача батареї, а й рівень втрат.

Непоодинокі випадки, коли власники квартир займаються складанням та підключенням опалювальної системи, дотримуючись рекомендацій знайомих. При цьому результат виявляється набагато гіршим за очікуваний. Це означає, що в процесі монтажу були допущені помилки, потужності приладів недостатньо для опалення конкретного приміщення або схема підключення труб опалення до батарей недоцільна для даного будинку.

Відмінності між основними видами підключення батарей

Всі можливі види підключення радіаторів опалення відрізняються типом розведення труб. Вона може складатися з однієї чи двох труб. У свою чергу, кожен із варіантів передбачає поділ на системи з вертикальними стояками чи горизонтальними магістралями. Досить часто використовується горизонтальне розведення системи опалення в багатоквартирному будинку, і вона добре себе зарекомендувала.

Виходячи з того, який варіант підведення труб до радіаторів був обраний, безпосередньо залежатиме схема їх підключення. В опалювальних системах з однотрубним та двотрубним контуром застосовують нижній, бічний та діагональний спосіб підключення радіаторів. Який би варіант ви не вибрали, головне – щоб у приміщення потрапляла достатня кількість тепла для його якісного обігріву.

Описані типи розведення труб відносять до трійникової системи підключення. Однак є ще один різновид – це колекторна схема, або променева розводка. При використанні опалювального контуру прокладають до кожного радіатора окремо. У зв'язку з цим колекторні типи підключення батарей мають більш високу вартість, оскільки для здійснення такої підводки потрібно досить багато труб. Крім того, вони проходитимуть через усі приміщення. Тим не менш, зазвичай у таких випадках опалювальний контур прокладається в підлозі та не псує інтер'єр приміщення.

Незважаючи на те, що описана колекторна схема підключення передбачає наявність великої кількості труб, вона все частіше використовується під час проектування систем опалення. Зокрема, цей вид підключення радіаторів застосовується для створення водяної «теплої підлоги». Він використовується як додаткове джерело тепла, або як основне – все залежить від проекту.

Однотрубна схема

Однотрубною називають опалювальну систему, де всі без винятку радіатори підключені до одного трубопроводу. При цьому розігрітий теплоносій на вході і остиглий на зворотному боці переміщається по одній і тій же трубі, поступово проходячи крізь усі опалювальні прилади. В даному випадку дуже важливо, щоб внутрішній переріз труби був достатнім для виконання її основної функції. Інакше все опалення буде неефективним.

Опалювальна система з однотрубним контуром має певні плюси та мінуси. Помилковою буде думка, що така система дозволяє суттєво скоротити витрати на прокладання труб та встановлення опалювальних приладів. Справа в тому, що система функціонуватиме ефективно лише у разі її грамотного підключення з урахуванням великої кількості тонкощів. Інакше вона не зможе обігрівати квартиру належним чином.

Економія засобів при облаштуванні однотрубної опалювальної системи дійсно має місце, але тільки у разі застосування вертикального стояка. Зокрема, у п'ятиповерхових будинках часто практикують такий варіант розведення з метою економії матеріалів. В даному випадку нагрітий теплоносій подається по головному стояку вгору, де розподіляється по решті всіх стояків. Гаряча вода у контурі поступово проходить крізь радіатори на кожному поверсі, починаючи з верхнього.

Принаймні досягнення теплоносієм нижніх поверхів його температура поступово знижується. Щоб компенсувати різницю температур на нижніх поверхах встановлюють радіатори з більшою площею. Ще одна особливість однотрубної системи опалення полягає в тому, що на всіх радіаторах рекомендують встановлювати байпаси. Вони дозволяють безперешкодно знімати акумулятори в разі необхідності ремонту, не зупиняючи при цьому всю систему.

Якщо опалення з однотрубним контуром виконано за схемою з горизонтальним розведенням, рух теплоносія може бути попутним або тупиковим. Така система зарекомендувала себе у трубопроводах завдовжки до 30 м. При цьому кількість підключених радіаторів може становити 4-5 штук.

Двотрубні опалювальні системи

Усередині двотрубного контуру теплоносій рухається двома окремими трубопроводами. Один з них використовується для потоку, що подає, з гарячим теплоносієм, а інший - для зворотного потоку з охололою водою, який рухається у напрямку до нагрівального бака. Таким чином, при монтажі радіаторів опалення з нижнім підключенням або будь-яким іншим типом врізки всі батареї прогріваються рівномірно, оскільки в них надходить вода приблизно однакової температури.

Варто відзначити, що двотрубний контур при підключенні батарей з нижньою підводкою, а також при використанні інших схем є найбільш прийнятним. Справа в тому, що подібний тип підключення забезпечує мінімальну кількість втрат. Схема циркуляції води то, можливо як попутної, і тупиковой.

Зверніть увагу, що за наявності двотрубного розведення є можливість регулювати теплову продуктивність радіаторів, що використовуються.

Деякі власники приватних будинків вважають, що проекти з двотрубними видами підключення радіаторів обходяться набагато дорожче, оскільки потрібно більше труб для їхнього здійснення. Однак якщо розібратися детальніше, то виявиться, що їхня вартість не набагато вища, ніж при облаштуванні однотрубних систем.

Справа в тому, що однотрубна система передбачає наявність труб з великим перерізом і радіатора більших розмірів. У той же час, ціна тонших труб, які потрібні для двотрубної системи, набагато нижча. Крім того, зрештою зайві витрати окупляться за рахунок більш якісної циркуляції теплоносія та мінімальних тепловтрат.

При двотрубній системі використовують кілька варіантів, як підключити алюмінієві радіатори опалення. Підключення може бути діагональним, бічним або нижнім. При цьому допускається застосування вертикальних та горизонтальних стиків. З точки зору ефективності оптимальним варіантом вважається діагональне підключення. При цьому тепло рівномірно розподіляється по всіх опалювальних приладах із мінімальними втратами.

Бічний або односторонній спосіб підключення з рівним успіхом застосовується і в однотрубних, і двотрубних розводках. Його головна відмінність у тому, що контур, що подає і зворотній, врізаються з одного боку радіатора.

Бокове підключення часто використовується в багатоквартирних будинках з вертикальним стояком, що подає. Зверніть увагу, що перед тим, як підключити радіатор опалення з бічним підключенням, необхідно встановити байпас і кран. Це дозволить вільно зняти батарею для промивання, фарбування або заміни, не відключаючи систему.

Примітно, що ефективність одностороннього врізання максимальна лише для батарей на 5-6 секцій. Якщо довжина радіатора набагато більша, при такому підключенні будуть суттєві втрати.

Особливості варіанта з нижнім підведенням труб

Як правило, підключення радіатора з нижньою підводкою виконується в тих випадках, коли непрезентабельні опалювальні труби необхідно приховати в підлозі або стіні, щоб не порушувати інтер'єр приміщення.

У продажу можна знайти велику кількість опалювальних приладів, в яких виробниками передбачено нижнє підведення до радіаторів опалення. Вони випускаються з різними розмірами та конфігураціями. При цьому, щоб не пошкодити батарею, варто подивитися паспорт виробу, де прописано методику підключення тієї чи іншої моделі обладнання. Зазвичай у вузлі підключення батареї передбачені кульові крани, які дозволяють зняти її у разі потреби. Таким чином, навіть не маючи досвіду в подібних роботах, користуючись інструкцією, можна здійснити підключення біметалевих радіаторів опалення з нижнім підключенням.

Циркуляція води всередині багатьох сучасних радіаторів із нижнім підключенням відбувається так само, як і при діагональній підводці. Досягається такий ефект за рахунок розташованої всередині радіатора перешкоди, яка забезпечує проходження води по всьому опалювальному приладі. Після цього остиглий теплоносій надходить у зворотний контур.

Зверніть увагу, що у опалювальних системах із природною циркуляцією нижнє підключення радіаторів виконувати небажано. Тим не менш, суттєві втрати від такої схеми підведення можна компенсувати збільшенням теплової потужності батарей.

Підключення діагональним способом

Як ми вже зазначали, діагональний спосіб підключення радіаторів відрізняється найменшими втратами тепла. При такій схемі гарячий теплоносій надходить з одного боку радіатора, проходить крізь усі секції, а потім по трубі виходить із протилежного боку. Цей тип підключення підходить як для одно-, так і для двотрубних опалювальних систем.

Діагональне підключення радіаторів можна виконувати у 2 варіантах:

Гарячий потік теплоносія надходить у верхній отвір радіатора, а потім, пройшовши крізь усі секції, виходить з нижнього бічного отвору з протилежного боку.
Теплоносій заходить у радіатор через нижній отвір з одного боку і витікає з протилежного боку зверху.

Підключення діагональним способом є доцільним у тих випадках, коли батареї складаються з великої кількості секцій – від 12 і більше.

Природна та примусова циркуляція теплоносія

Варто зазначити, що спосіб підведення труб до радіаторів залежатиме ще й від того, яким чином забезпечується циркуляція теплоносія всередині опалювального контуру. Розрізняють два види циркуляції – природна та примусова.

Природна циркуляція рідини всередині контуру опалення досягається за рахунок застосування фізичних законів, при цьому додаткове обладнання встановлювати не потрібно. Воно можливе лише при використанні води як теплоносія. Якщо ж застосовується будь-який антифриз, він зможе вільно циркулювати по трубах.

Опалення з природною циркуляцією включає котел для підігріву води, розширювальний бак, 2 трубопроводи для подачі та обратки, а також радіатори. В даному випадку працюючий котел поступово нагріває воду, яка розширюється і просувається по стояку, пройшовши крізь усі радіатори в системі. Потім вже охолола вода самопливом надходить назад у казан.

Щоб забезпечити вільний поступ води, горизонтальні труби монтують з невеликим ухилом до напрямку руху теплоносія. Опалювальна система з природною циркуляцією є саморегулівною, оскільки кількість води змінюється залежно від її температури. При нагріванні води збільшується циркуляційний тиск, що забезпечує рівномірний прогрів приміщення.

У системах із природною циркуляцією рідини можна виконувати монтаж радіатора з нижнім підключенням за умови двотрубного підведення, а також використовувати схему з верхнім розведенням в одно-і двотрубному контурі. Як правило, цей тип циркуляції здійснюється лише в невеликих будинках.

Зауважте, що на батареях повинні бути передбачені повітряні спускники, через які можна видалити повітряні пробки. Як варіант, можна обладнати стояки автоматичними відвідниками повітря. Опалювальний котел бажано розміщувати нижче за рівень опалювального приміщення, наприклад, у підвалі.

Якщо площа будинку перевищує 100 м 2 то спосіб циркуляції теплоносія повинен бути примусовим. При цьому необхідно встановити спеціальний циркуляційний насос, який забезпечить рух антифризу або води по контуру. Потужність насоса залежить від розміру будинку.

Циркуляційний насос можна монтувати як на трубі, що подає, так і на зворотній. Дуже важливо у верхній точці трубопроводу встановити автоматичні спускники або передбачити крани Маєвського на кожному радіаторі, щоб видаляти повітряні пробки вручну.

Використання циркуляційного насоса виправдане як в одно-, так і двотрубних системах з вертикальним та горизонтальним типом підключення радіаторів.

Чому важливо грамотно підключити радіатори опалення

Який би метод підключення та тип радіатора ви не вибрали, дуже важливо провести грамотні розрахунки та правильно встановити обладнання. При цьому важливо зважити на особливості конкретного приміщення, щоб підібрати оптимальний варіант. Тоді система буде максимально ефективною та дозволить уникнути суттєвих тепловтрат у майбутньому.

Якщо ви хочете зібрати систему опалення у великому дорогому особняку, проектування краще довірити спеціалістам.

Для будинків невеликої площі з вибором схеми підключення та монтажем батарей можна впоратися самостійно. Потрібно лише розглянути якість тієї чи іншої схеми підключення та вивчити особливості виконання монтажних робіт.

Зверніть увагу, що трубопровід та радіатори повинні бути виготовлені з аналогічного матеріалу. Наприклад, до чавунних батарей не можна підключати пластикові труби, оскільки це може призвести до неприємностей.

Таким чином, за умови, що буде враховано особливості конкретного будинку, підключення радіаторів опалення можна здійснити самостійно. Грамотно підібрана схема підведення труб до радіаторів дозволить мінімізувати тепловтрати, щоб опалювальні прилади могли працювати з максимальною ефективністю.

Джерело: « У світі науки » , № 3, 1983. Автори: Невіль Х. Флетчер та Сусанна Туейтс

Величне звучання органу створюється завдяки взаємодії строго синхронізованих по фазі повітряного струменя, що проходить через розріз у трубі, та повітряного стовпа, що резонує у її порожнині.

Жоден музичний інструмент не може зрівнятися з органом за силою, тембром, діапазоном, тональністю і величністю звучання. Подібно до багатьох музичних інструментів, пристрій органу постійно вдосконалювався завдяки зусиллям багатьох поколінь майстерних майстрів, які повільно накопичували досвід і знання. До кінця XVII ст. орган здебільшого набув своєї сучасної форми. Два найвидатніші фізики XIX ст. Герман фон Гельмгольц і лорд Релей висунули протилежні теорії, що пояснюють основний механізм утворення звуків органних трубах, Але через відсутність необхідних приладів н інструментів їх суперечка так і не була вирішена. З появою осцилографів та інших сучасних приладів стало можливим детальне вивчення механізму дії органу. Виявилося, що як теорія Гельмгольца, і теорія Релея справедливі для певних величин тиску, під яким повітря нагнітається в органну трубу. Далі у статті будуть викладені результати останніх досліджень, які багато в чому не співпадають із поясненням механізму дії органу, що наводиться у підручниках.

Трубки, вирізані з очерету чи інших рослин із порожнім стеблом, були, мабуть, першими духовими музичними інструментами. Вони видають звуки, якщо дмухати поперек відкритого кінця трубки, або дмухати в трубку, вібруючи губами, або, защемивши кінець трубки, вдувати повітря, змушуючи вібрувати її стінки. Розвиток цих трьох видів найпростіших духових інструментів призвело до створення сучасної флейти, труби та кларнета, з яких музикант може витягувати звуки у досить великому діапазоні частот.

Паралельно створювалися такі інструменти, у яких кожна трубка призначалася для звучання однією певної ноті. Найпростіший з таких інструментів - це сопілка (або «флейта Пана»), яка зазвичай має близько 20 трубок різної довжини, закритих з одного кінця і звуки, що видають поперек іншого, відкритого кінця. Найбільшим і складним інструментом цього є орган, що містить до 10000 труб, якими органіст управляє з допомогою складної системи механічних передач. Орган веде своє походження з давніх-давен. Глиняні фігурки, що зображували музикантів, що грають на інструменті з багатьох труб, з хутром, були виготовлені в Олександрії ще в II ст. до н.е. До X ст. орган починає використовуватися у християнських церквах, й у Європі з'являються написані ченцями трактати влаштування органів. За переказом, великий орган, Збудований в Xв. для Вінчестерського собору в Англії, мав 400 металевих труб, 26 хутр та дві клавіатури з 40 клавішами, де кожна клавіша керувала десятьма трубами. Протягом наступних століть пристрій органу удосконалювався в механічному та музичному відношенні, і вже в 1429 р. в Ам'єнському соборі було збудовано орган, що мав 2500 труб. У Німеччині до кінця XVII ст. органи вже набули своєї сучасної форми.

Орган, встановлений у 1979 р. у концертному залі Сіднейського оперного театру в Австралії, є найбільшим та технічно досконалим органом у світі. Спроектований та збудований Р. Шарпом. У ньому є близько 10500 труб, керованих за допомогою механічної передачі п'ятьма ручними та однією ножною клавіатурами. Орган може керуватися автоматично магнітною стрічкою, на якій у цифровій формі раніше було записано виконання музиканта.

Терміни, які застосовуються для опису пристрої органу, відображають їхнє походження від трубчастих духових інструментів, в які повітря вдихалося ротом. Труби органу зверху відкриті, а знизу мають звужену конусоподібну форму. Поперек сплющеної частини, над конусом, проходить ротик труби (розріз). Усередині труби помішаний "язичок" (горизонтальне ребро), так що між ним і нижньою "губою" утворюється "лабіальний отвір" (вузька щілина). Повітря нагнітається в трубу великим хутром і надходить у її конусоподібну основу під тиском від 500 до 1000 паскалів (від 5 до 10 см вод. ст.). Коли при натисканні відповідної педалі та клавіші повітря входить у трубу, він прямує вгору, утворюючи при виході з лабіальної щілиниширокий плоский струмінь. Струмінь повітря проходить поперек прорізу «ротика» і, ударяючись об верхню губу, взаємодіє з повітряним стовпом у самій трубі; в результаті створюються стійкі коливання, які змушують трубу «говорити». Саме собою питання, яким чином відбувається в трубі цей раптовий перехід від мовчання до звучання, дуже складний і цікавий, але в цій статті він не розглядається. Розмова в основному йтиме про процеси, які забезпечують безперервне звучання органних труб та створюють їхню характерну тональність.

Органна труба збуджується повітрям, що надходить у її нижній кінець і утворює струмінь при проходженні через щілину між нижньою губою і язичком. У розрізі струмінь взаємодіє з повітряним стовпом у трубі у верхньої губи і проходить то всередині труби, то поза нею. У повітряному стовпі створюються коливання, що примушують трубу звучати. Тиск повітря, що змінюється за законом стоячої хвилі, показано кольоровим штрихуванням. На верхній кінець труби насаджується знімна муфта або заглушка, які дозволяють при налаштуванні змінювати довжину повітряного стовпа.

Може здатися, що завдання опису повітряного струменя, що породжує та зберігає звучання органу, повністю відноситься до теорії потоків рідин та газів. З'ясувалося, проте, що дуже важко теоретично розглянути рух навіть постійного, плавного, ламінарного потоку, що стосується повністю турбулентного струменя повітря, що рухається в органній трубі, його аналіз неймовірно складний. На щастя, турбулентність, що є складним видом руху повітря, насправді спрощує характер повітряного потоку. Якби цей потік був ламінарним, то взаємодія струменя повітря з навколишнім середовищем залежало від їхньої в'язкості. У нашому випадку турбулентність замінює в'язкість як визначальний фактор взаємодії у прямій залежності від ширини повітряного потоку. При будівництві органа особливу увагу приділяють тому, щоб повітряні потоки в трубах були повністю турбулентні, що досягається за допомогою дрібних нарізок по краю язичка. Як не дивно, на відміну від ламінарного турбулентного потоку стійкий і може бути відтворений.

Повністю турбулентний потік поступово поєднується з навколишнім повітрям. Процес розширення та уповільнення при цьому порівняно нескладний. Крива, що зображує зміну швидкості потоку залежно від відстані від центральної площини його перерізу, має вигляд перегорнутої параболи, вершина якої відповідає максимальному значенню швидкості. Ширина потоку зростає пропорційно відстані від лабіальної щілини. Кінетична енергія потоку залишається незмінною, тому зменшення його швидкості пропорційно до кореня квадратного з відстані від щілини. Ця залежність підтверджується як розрахунками, і результатами експерименту (при врахуванні невеликої області переходу поблизу лабіальної щілини).

У органічній трубі, що вже збуджується і звучить, повітряний потік потрапляє з лабіальної щілини в інтенсивне звукове поле в прорізі труби. Рух повітря, пов'язаний з генерацією звуків, спрямований через проріз і, отже, перпендикулярно площині потоку. П'ятдесят років тому Б. Браун з коледжу Лондонського університету вдалося сфотографувати ламінарний потік задимленого повітря в звуковому полі. На знімках було відзначено утворення звивистих хвиль, що збільшуються в міру їх просування вздовж потоку, поки останній не розпадався на два ряди вихрових кілець, що обертаються у протилежних напрямках. Запитана інтерпретація цих та подібних до них спостережень призвела до невірного опису фізичних процесів в органних трубах, яке можна знайти в багатьох підручниках.

p align="justify"> Більш плідний метод вивчення дійсної поведінки повітряного струменя в звуковому полі полягає в експериментуванні з окремо взятою трубою, в якій звукове поле створюється за допомогою репродуктора. В результаті таких досліджень, проведених Дж. Колтманом в лабораторії компанії Westinghouse Electric Corporation та групою з моєю участю в Університеті Нової Англії в Австралії, було розроблено основи сучасної теорії фізичних процесів, що відбуваються в органних трубах. Фактично Релей дав ретельний і майже повний математичний опис ламінарних потоків нев'язких середовищ. Оскільки виявилося, що турбулентність не ускладнює, а спрощує фізичну картину повітряних струн, виявилося можливим використовувати метод Релея з невеликими змінами для опису повітряних потоків, експериментально отриманих та досліджених Колтманом та нашою групою.

Якби в трубі не було лабіальної щілини, то можна було б очікувати, що повітряний струмінь у вигляді смуги повітря, що рухається, просто зміщувався б назад і вперед разом з усім іншим повітрям у прорізі труби під впливом акустичних коливань. Насправді ж, при виході струменя зі щілини вона ефективно стабілізується самою щілиною. Цей ефект можна порівняти з результатом накладання на загальний коливальний рух повітря в звуковому полі строго збалансованого змішування, локалізованого в площині горизонтального ребра. Це локалізоване змішання, яке має ту ж частоту і амплітуду, що і звукове поле, і в результаті створює у горизонтального ребра нульове змішування струменя, зберігається в потоці повітря, що рухається, і створює звивисту хвилю.

П'ять труб різної конструкції роблять звуки однакової висоти, але різного тембру. Друга труба зліва – це дульсіана, що має ніжне, тонке звучання, що нагадує звучання струнного інструменту. Третя труба – відкритий діапазон, що дає світлий, дзвінкий звук, найбільш характерний для органу. У четвертої труби звук сильно приглушеної флейти. П'ята труба – Waldflote ( « лісова флейта» з м'яким звучанням. Дерев'яна труба ліворуч закрита заглушкою. Вона має ту ж основну частоту коливань, що й інші труби, але резонує на непарних обертонах, частоти яких у непарне число разів більші за основну частоту. Довжина інших труб не зовсім однакова, тому що для отримання однакової висоти тону проводиться корекція кінця.

Як показав Релей для дослідженого ним типу струменя і як ми всебічно підтвердили для випадку з турбулентним струменем, що розходиться, хвиля поширюється вздовж потоку зі швидкістю трохи меншої половини швидкості руху повітря в центральній площині струменя. При цьому в міру руху вздовж потоку амплітуда хвилі зростає майже експонентом. Як правило, вона збільшується вдвічі при переміщенні хвилі на один міліметр і її вплив швидко стає переважаючим до простого зворотно-поступального бічного переміщення, що викликається звуковими коливаннями.

Було встановлено, що максимальна швидкість збільшення хвилі досягається у тому випадку, коли її довжина вздовж потоку в шість разів перевищує ширину потоку в даній точці. З іншого боку, якщо довжина хвилі виявляється меншою за ширину потоку, то амплітуда не збільшується і хвиля може взагалі зникнути. Оскільки повітряний струмінь розширюється і уповільнює рух у міру віддалення від щілини, поширюватися по довгих потоках з великою амплітудою можуть лише довгі хвилі, тобто низькочастотні коливання. Ця обставина виявиться важливою при подальшому розгляді створення гармонійного звучання органних труб.

Розглянемо тепер вплив на повітряний струмінь звукового поля органної труби. Неважко уявити, що акустичні хвилі звукового поля в прорізі труби змушують кінчик повітряного струменя перемішатися поперек верхньої губи прорізу, так що струмінь виявляється то всередині труби, то поза нею. Це нагадує картину, коли штовхають гойдалки, що вже розгойдуються. Повітряний стовп у трубі вже коливається, і коли пориви повітря входять у трубу синхронно з коливанням, вони зберігають силу коливань, незважаючи на різні втрати енергії, пов'язані з поширенням звуку і тертям повітря про стінки труби. Якщо ж пориви повітря не збігаються з коливаннями повітряного стовпа в трубі, вони придушуватимуть ці коливання і звук загасатиме.

Форма повітряного струменя показана на малюнку у вигляді ряду послідовних кадрів при виході з лабіальної щілини в акустичне поле, що рухається, створюване в «ротику» труби повітряним стовпом, який резонує всередині труби. Періодичне зміщення повітря в розрізі ротика створює звивисту хвилю, що рухається зі швидкістю вдвічі меншою швидкості руху повітря в центральній площині струменя і збільшується по експоненті, поки його амплітуда не перевищить ширину самого струменя. Горизонтальні перерізи показують відрізки шляху, які хвиля в струмені проходить за послідовні чверті періоду коливань Т. Сікуючі лінії зближуються зі зменшенням швидкості струменя. В органній трубі верхня губа розташована у місці, вказаному стрілкою. Повітряний струмінь по черзі виходить із труби і входить до неї.

Вимірювання звукопровідних властивостей повітряного струменя можна здійснити, поміщаючи у відкритий кінець труби фетрові або пінопластові клини, що перешкоджають звучанню, і створюючи звукову хвилю невеликої амплітуди за допомогою гучномовця. Відбиваючись від протилежного кінця труби, звукова хвиля взаємодіє у розрізу «ротика» з повітряним струменем. Взаємодія струменя зі стоячою хвилею всередині труби вимірюється за допомогою переносного мікрофона-тестера. У такий спосіб вдається виявити, збільшує або зменшує повітряний струмінь енергію відбитої хвилі в нижній частині труби. Для того, щоб труба звучала, струмінь повинен збільшувати енергію. Результати вимірювання виражаються у величині акустичної «провідності», яка визначається як відношення акустичного потоку на виході з розрізу « ротика» до звукового тиску безпосередньо за резрезом. Крива значень провідності при різних поєднаннях тиску нагнітання повітря та частоти коливань має форму спіралі, як показано на наступному малюнку.

Зв'язок між виникненням акустичних коливань у прорізі труби та моментом надходження чергової порції повітряного струменя на верхню губу прорізу визначається відрізком часу, за який хвиля у повітряному потоці проходить відстань від лабіальної щілини до верхньої губи. Майстри з виготовлення органів називають цю відстань «підрізом». Якщо підріз великий або тиск (а отже, і швидкість руху) повітря низький, то час руху буде великим. І навпаки, якщо підріз малий або тиск повітря високий, то час руху буде невеликим.

Для того щоб точно визначити фазове співвідношення між коливаннями повітряного стовпа в трубі та надходженнями порцій повітряного струменя на внутрішню кромку верхньої губи, необхідно докладніше вивчити характер впливу цих пропорцій на повітряний стовп. Гельмгольц вважав, що головним фактором тут є обсяг повітряного потоку, що доставляється струменем. Тому для того, щоб порції струменя повідомляли якомога більше енергії повітряному стовпу, що коливається, вони повинні надходити в той момент, коли тиск у внутрішньої частини верхньої губи досягає максимуму.

Релей висував інше становище. Він доводив, що оскільки проріз знаходиться порівняно недалеко від відкритого кінця труби, акустичні хвилі біля прорізу, на які впливає повітряний струмінь, не можуть створювати великий тиск. Релей вважав, що повітряний потік, надходячи в трубу, фактично наштовхується на перешкоду і майже зупиняється, що швидко створює в ньому високий тиск, який впливає на його рух у трубі. Тому, на думку Релея, повітряний струмінь передаватиме максимальну кількість енергії в тому випадку, якщо вона надходитиме в трубу в момент, коли максимальним буде не тиск, а сам потік акустичних хвиль. Зсув між цими двома максимумами становить одну чверть періоду коливань повітряного стовпа у трубі. Якщо провести аналогію з гойдалками, то ця відмінність виявляється у штовханні гойдалок, коли вони знаходяться у верхній точці і мають максимальну потенційну енергію (за Гельмгольцем), і в момент, коли вони знаходяться в самій нижній точці і мають максимальну швидкість (по Релею).

Крива акустичної провідності струменя має форму спіралі. Відстань від початкової точки вказує величину провідності, а кутове положення - зсув фаз між акустичним потоком на виході з прорізу та звуковим тиском за прорізом. Коли потік збігається по фазі з тиском, значення провідності лежать у правій половині спіралі та відбувається розсіювання енергії струменя. Для того щоб струмінь генерував звук, значення провідності повинні знаходитися в лівій половині спіралі, що має місце при компенсації або затримці фази руху струменя по відношенню до тиску за розрізом труби. У цьому випадку довжина відбитої хвилі вища за довжину падаючої хвилі. Величина опорного кута залежить від того, який із двох механізмів домінує у збудженні труби: механізм Гельмгольця або механізм Релея. При провідності, що відповідає верхній половині спіралі, струмінь знижує свою резонансну частоту труби, а коли значення провідності знаходиться в нижній частині спіралі, підвищує свою резонансну частоту труби.

Графік руху повітряного потоку в трубі (пунктирна крива) при цьому відхиленні струменя несиметричний по відношенню до нульової величини відхилення, оскільки губа труби влаштована так, щоб розрізати струмінь не по його центральній площині. Коли відхилення струменя відбувається за простою синусоїдою з великою амплітудою (суцільна крива чорного кольору), повітряний потік, що надходить у трубу (кольорова крива), «насичується» спочатку в однієї крайньої точки відхилення струменя, коли вона повністю виходить із труби. При ще більшій амплітуді відбувається насичення повітряного потоку і в іншій крайній точці відхилення, коли струмінь повністю входить у трубу. Зміщення губи надає потоку асиметричної хвильової форми, обертони якої мають частоти, кратні частоті хвилі, що відхиляє.

Протягом 80 років завдання залишалося невирішеним. Понад те, нові дослідження мало проводилися. І лише тепер вона знайшла задовільне рішення завдяки роботам Л. Кремера та X. Лізінга з Інституту ім. Генріха Герца у Зап. Берліне, С. Еллера з Військово-морської академії США, Колтмана та нашої групи. Коротко кажучи, і Гельмгольц, і Релей обидва мали право. Співвідношення між двома механізмами впливу визначається тиском повітря, що нагнітається, і частотою звуку, причому механізм Гельмгольца виявляється основним при низьких тисках і високих частотах, а механізм Релея - при високих тисках і низьких частотах. Для органних труб стандартної конструкції механізм Гельмгольца відіграє важливу роль.

Колтман розробив простий та ефективний спосіб вивчення властивостей повітряного струменя, який був дещо модифікований та вдосконалений у нашій лабораторії. В основі цього методу лежить вивчення повітряного струменя біля прорізу органної труби, коли дальній кінець її закритий фетровими або пінопластовими звуковбирними клинами, що не дають трубі звучати. Потім з репродуктора, поміщеного біля далекого кінця, вниз по трубі подається звукова хвиля, яка відбивається від краю прорізу спочатку за наявності струменя, що нагнітається, а потім без неї. В обох випадках падаюча та відбита хвилі взаємодіють усередині труби, створюючи стоячу хвилю. Вимірюючи за допомогою невеликого мікрофона-зонда зміни конфігурації хвилі при подачі повітряного струменя, можна визначити, збільшує або зменшує струмінь енергію відбитої хвилі.

У наших експериментах фактично вимірювалася «акустична провідність» повітряного струменя, що визначається ставленням акустичного потоку на виході з прорізу, створюваного присутністю струменя, до акустичного тиску безпосередньо всередині прорізу. Акустична провідність характеризується величиною та фазовим кутом, які можна уявити графічно у вигляді функції частоти або тиску нагнітання. Якщо уявити графік провідності при незалежній зміні частоти та тиску, то крива матиме форму спіралі (див. рисунок). Відстань від початкової точки спіралі показує величину провідності, а кутове положення точки на спіралі відповідає запізненню фази звивистої хвилі, що виникає в струмені під впливом акустичних коливань у трубі. Запізнення однією довжину хвилі відповідає 360° по колу спіралі. Внаслідок особливих властивостей турбулентного струменя виявилося, що при множенні величини провідності на квадратний корінь з величини тиску всі величини, виміряні для цієї органної труби, укладаються на одній і тій же спіралі.

Якщо тиск залишається постійним, а частота звукових хвиль, що надходять, зростає, то точки, що вказують величину провідності, наближаються по спіралі до її середини за годинниковою стрілкою. При постійній частоті та збільшенні тиску ці точки віддаляються від середини у протилежному напрямку.

Внутрішній вигляд органу Сіднейського оперного театру. Видно деякі труби його 26 регістрів. Більшість труб зроблена з металу, деякі виготовлені з дерева. Довжина частини труби, що звучить, подвоюється через кожні 12 труб, а діаметр труби подвоюється приблизно через кожні 16 труб. Багаторічний досвід майстрів – авторів дозволив їм знайти найкращі пропорції, що забезпечують стійкий тембр звучання.

Коли точка величини провідності знаходиться у правій половині спіралі, струмінь відбирає енергію у потоку в трубі, і тому відбувається втрата енергії. При положенні точки в лівій половині струмінь передасть енергію потоку і цим діє як генератор звукових коливань. При положенні значення провідності у верхній половині спіралі струмінь знижує свою резонансну частоту труби, а коли ця точка знаходиться в нижній половині, струмінь підвищує свою резонансну частоту труби. Величина кута, що характеризує відставання по фазі, залежить від того, за якою схемою – Гельмгольцем або Релеєм – здійснюється основне збудження труби, а це, як було показано, визначається величинами тиску та частоти. Однак цей кут, що відраховується від правої частини горизонтальної осі (права чверть), ніколи не буває значно більшим за нуль.

Оскільки 360° по колу спіралі відповідає відставанню по фазі, що дорівнює довжині і звивистої хвилі, що розповсюджується вздовж повітряного струменя, величини такого відставання від значно менших чверті довжини хвилі до майже трьох четвертих її довжини лежатимуть на спіралі від центральної лінії, тобто в тій частині де струмінь діє як генератор звукових коливань. Ми також бачили, що при постійній частоті відставання по фазі є функцією тиску повітря, що нагнітається, від якої залежать як швидкість самого струменя, так і швидкість поширення звивистої хвилі вздовж струменя. Оскільки швидкість такої хвилі становить половину швидкості струменя, яка у свою чергу прямо пропорційна кореню квадратному з величини тиску, зміна фази струменя на половину довжини хвилі можлива лише за значної зміни тиску. Теоретично тиск може змінюватися у дев'ятикратному розмірі, перш ніж труба перестає робити звучання на своїй основній частоті, якщо інші умови не порушуються. Насправді, однак, труба починає звучати більш високої частоті до досягнення зазначеної вищої межі зміни тиску.

Слід зазначити, що для поповнення втрат енергії в трубі та забезпечення стійкості звуку кілька витків спіралі може піти далеко вліво. Змусити трубу звучати може ще один такий виток, місце розташування якого відповідає приблизно трьом напівхвилям в струмені. Оскільки провідність струн у цій точці низька, звук, що продукується, слабший за будь-який звук, відповідний точці на зовнішньому витку спіралі.

Форма спіралі провідності може ще більше ускладнитися, якщо величина відхилення у верхньої губи перевищує ширину самого струменя. При цьому струмінь майже повністю видмухується з труби і вдувається в неї на кожному циклі переміщення, і кількість енергії, яку вона повідомляє відбитої хвилі в трубі, перестає залежати від подальшого збільшення амплітуди. Відповідно знижується і ефективність повітряних струн у режимі генерації акустичних коливань. У цьому випадку збільшення амплітуди відхилення струменя призводить лише до зменшення спіралі провідності.

Зниження ефективності струменя за збільшення амплітуди відхилення супроводжується зростанням втрат енергії в органній трубі. Коливання в трубі швидко встановлюються на нижчому рівні, при якому енергія струменя точно компенсує втрати енергії в трубі. Цікаво відзначити, що в більшості випадків втрати енергії внаслідок турбулентності та в'язкості значно перевищують втрати, пов'язані з розсіюванням звукових хвиль через проріз та відкритий коней труби.

Розріз органної труби діапазонного типу, на якому видно, що язичок має насічку для поєднання однорідного турбулентного руху струменя повітря. Труба виготовлена з «крапленого металу» – сплаву з великим вмістом олова та добавкою свинцю. При виготовленні листового матеріалу цього сплаву на ньому закріплюється характерний малюнок, який добре видно на фотографії.

Зрозуміло, дійсне звучання труби в органі не обмежена однією певною частотою, але містить звуки вищої частоти. Можна довести, що ці обертони є точними гармоніками основної частоти і відрізняються від неї ціле число разів. За постійних умов повітронагнітання форма звукової хвилі на осцилографі залишається абсолютно однаковою. Найменше відхилення частоти гармонік від величини, суворо кратної основний частоті, призводить до поступової, але чітко видимої зміни форми хвилі.

Це явище цікаве, тому що резонансні коливання повітряного стовпа в органній трубі, як і в будь-якій відкритій трубі, встановлюються на частотах, які дещо відрізняються від частот гармонік. Справа в тому, що при збільшенні частоти робоча довжина труби стає трохи менше через зміну акустичного потоку біля відкритих кінців труби. Як буде показано, обертони в органній трубі створюються рахунок взаємодії повітряного струменя і губи прорізи, а сама труба служить для обертонів вищої частоти головним чином пасивним резонатором.

Резонансні коливання в трубі створюються за найбільшого руху повітря біля її отворів. Іншими словами, провідність в органній трубі повинна досягати свого максимуму біля прорізу. Звідси випливає, що резонансні коливання та труби з відкритим довгим кінцем виникають на частотах, при яких у довжині труби укладається ціла кількість напівхвиль звукових коливань. Якщо позначити основну частоту як f 1 , то вищі резонансні частоти будуть 2 f 1 , 3f 1 і т.д. (Насправді, як було зазначено, вищі резонансні частоти завжди трохи перевищують ці значення.)

У трубі із закритим або заглушеним дальнім кінним резонансні коливання виникають на частотах, при яких у довжині труби укладається непарне число четвертої довжини хвилі. Тому для звучання на тій самій ноті закрита труба може бути вдвічі коротша за відкриту, і її резонансні частоти будуть f 1 , 3f 1 , 5f 1 і т.д.

Результати впливу зміни тиску нагнітається повітря на звук у звичайній органній трубі. Римськими цифрами позначені перші кілька обертонів. Головний режим труби (у кольорі) охоплює діапазон добре збалансованого нормального звучання за нормального тиску. При збільшенні тиску звучання труби перетворюється на другий обертон; при зниженні тиску створюється ослаблений другий обертон.

Тепер повернемося до повітряного струменя в органній трубі. Ми бачимо, що хвильові обурення високої частоти поступово згасають у міру збільшення ширини струменя. Внаслідок цього кінець струменя біля верхньої губи коливається майже по синусоїді на основній частоті звучання труби і майже незалежно від високих гармонік коливань акустичного поля біля прорізу труби. Однак синусоїдальний рух струменя не створить такого ж руху повітряного потоку в трубі, оскільки потік насичується за рахунок того, що при крайньому відхиленні в будь-який бік він повністю тече або з внутрішньої або зовнішньої сторони верхньої губи. Крім того, губа зазвичай дещо зміщена і розрізає потік не точно по центральній площині, так що насичення виявляється несиметричним. Тому коливання потоку в трубі має повний набір гармонік основної частоти зі строго певним співвідношенням частот і фаз, а відносні амплітуди цих високочастотних гармонік швидко зростають зі збільшенням відхилення амплітуди повітряного струменя.

У звичайній органній трубі величина відхилення струменя в прорізі співмірна з шириною струменя біля верхньої губи. У результаті повітряному потоці створюється велика кількість обертонів. Якби губа розділяла струмінь строго симетрично, парні обертони в звучанні були б відсутні. Тому зазвичай губі надається деяка суміш, щоб зберегти всі обертони.

Як і слід було очікувати, відкрита та закрита труби створюють звук різної якості. Частоти обертонів, створюваних струменем, кратні основній частоті коливань струменя. Стовп повітря в трубі сильно резонуватиме на певний обертон тільки при великій акустичній провідності труби. При цьому відзначатиметься різке збільшення амплітуди на частоті, близької до частоти обертона. Тому в закритій трубі, де створюються лише обертони з непарними номерами резонансної частоти, відбувається придушення інших обертонів. Через війну виходить характерний «глухий» звук, у якому парні обертони слабкі, хоч і відсутні повністю. Навпаки, а відкритій трубі виходить «світліший» звук, оскільки він зберігає всі обертони, похідні від основної частоти.

Резонансні характеристики труби великою мірою залежить від втрат енергії. Ці втрати бувають двох типів: втрати на внутрішнє тертя та тепловіддачу та втрати на випромінювання через проріз та відкритий кінець труби. Втрати першого типу більші у вузьких трубах і при низькій частоті коливань. Для широких труб і за високої частоті коливань істотними є втрати другого типу.

Вплив місця розташування губи створення обертонів свідчить про доцільність зміщення губи. Якби губа розділяла струмінь строго по центральній площині, у трубі створювався лише звук основної частоти (I) і третій обертон (III). При зміщенні губи, як показано пунктирною лінією, виникають другий і четвертий обертони, що значно збагачують якість звуку.

Звідси випливає, що з даної довжині труби, отже, і певної основний частоті широкі труби можуть бути хорошими резонаторами лише основного тону й найближчих кількох обертонів, що утворюють приглушений «флейтоподібний» звук. Вузькі труби служать хорошими резонаторами для широкого діапазону обертонів, і оскільки випромінювання на високих частотах відбувається інтенсивніше, ніж низьких, то утворюється високий «струнний» звук. Між цими двома звучаннями знаходиться дзвінкий соковитий звук, стати характерним для гарного органу, який створюється так званими принципалами або діапазонами.

Крім того, у великому органі можуть бути ряди труб з конічним корпусом, заглушкою перфорованої або іншими різновидами геометричної форми. Такі конструкції призначені для модифікації резонансних частот труби, а іноді збільшення діапазону високочастотних обертонів з метою отримання тембру особливого звукового забарвлення. Вибір матеріалу, з якого виготовляється труба, не має великого значення.

Існує велика кількість можливих видів коливань повітря в трубі, і це ще більшою мірою ускладнює акустичні властивості труби. Наприклад, при збільшенні тиску повітря у відкритій трубі настільки, що в струмені буде створюватися перший обертон f 1 однієї чверті довжини основний хвилі, точка на спіралі провідності, що відповідає цьому обертону, перейде її праву половину і струмінь перестане створювати обертон цієї частоти. У той же час, частота другого обертона 2 f 1 відповідає напівхвилі в струмені, і він може бути стійким. Тому звучання труби перейде на цей другий обертон, майже на цілу октаву вище за перший, причому точна частота коливань залежатиме від резонансної частоти труби і тиску нагнітання повітря.

Подальше збільшення тиску нагнітання може призвести до утворення наступного обертону. f 1 за умови, що «підріз» губи не дуже великий. З іншого боку, часто буває, що низький тиск, недостатнє для утворення основного тону, поступово створює один з обертонів на другому витку провідності. Подібні звуки, створювані при надлишку чи нестачі тиску, становлять інтерес для лабораторних досліджень, але у самих органах застосовуються вкрай рідко, лише досягнення якогось особливого ефекту.

Вид стоячої хвилі при резонансі в трубах із відкритим та закритим верхнім кінцем. Ширина кожної кольорової лінії відповідає амплітуді коливань у різних частинах труби. Стрілками зазначено напрямок руху повітря під час однієї половини коливального циклу; у другій половині циклу напрямок руху змінюється на зворотне. Римськими цифрами позначені номери гармонік. Для відкритої труби є резонансними всі гармоніки основної частоти. Закрита труба має бути вдвічі коротшою для створення тієї ж ноти, але для неї резонансними є лише непарні гармоніки. Складна геометрія «ротика» труби дещо спотворює конфігурацію хвиль ближче до нижнього кінця труби, не змінюючи їх « основного » характеру.

Після того як майстер при виготовленні органа зробив одну трубу, що має необхідне звучання, основне і найважче його завдання – створити весь ряд труб відповідної гучності та гармонійності звучання по всьому музичному діапазону клавіатури. Цього не можна досягти простим набором труб однакової геометрії, що відрізняються лише своїми розмірами, оскільки такі труби втрати енергії від тертя і випромінювання будуть по-різному впливати на коливання різної частоти. Щоб забезпечити сталість акустичних властивостей у всьому діапазоні, необхідно варіювати цілим рядом параметрів. Діаметр труби змінюється при зміні її довжини і залежить від неї як ступінь з показником k, де k менше 1. Тому довгі басові труби роблять вужчими. Розрахункова величина k становить 5/6, або 0,83, але з урахуванням психофізичних особливостей людського слуху вона має бути зменшена до 0,75. Це значення дуже близьке до того, яке емпірично визначили великі майстри органів XVII і XVIII ст.

На закінчення розглянемо питання, важливе з погляду гри на органі: як здійснюється управління звучанням безлічі труб у великому органі. Основний механізм цього управління простий і нагадує ряди та колонки матриці. Труби, розташовані по регістрам, відповідають рядам матриці. Всі труби одного регістру мають один тембр, і кожна труба відповідає одній ноті на ручній або ножній клавіатурі. Подача повітря до труб кожного регістру регулюється спеціальним важелем, на якому зазначено назву регістру, а подача повітря безпосередньо до труб, пов'язаних з даною нотою н складових колонку матриці, регулюється відповідною клавішею на клавіатурі. Труба звучатиме лише в тому випадку, якщо пересунутий важіль регістру, в якому вона знаходиться, та натиснута потрібна клавіша.

Розміщення органних труб нагадує ряди та колонки матриці. На цій спрощеній схемі кожен ряд, що називається регістром, складається з однотипних труб, кожна з яких виготовляє одну ноту (верхня частина схеми). Кожна колонка, пов'язана з однією нотою на клавіатурі (нижня частина схеми) включає труби різних типів (ліва частина схеми). Важелем на консолі (права частина схеми) забезпечується доступ повітря до всіх труб регістру, а натисканням клавіші на клавіатурі повітря нагнітається у всі труби даної ноти. Доступ повітря в трубу можливий лише при одночасному включенні ряду та колонки.

У наш час можна застосовувати різні способи здійснення подібної схеми з використанням цифрових логічних пристроїв і електрично керованих клапанів на кожній трубі. На старих органах використовувалися прості механічні важелі та пластинчасті клапани для подачі повітря в клавішні канали та механічні повзуни з отворами для керування надходженням повітря до цілого регістру. Ця проста і надійна механічна система, крім своїх конструктивних переваг, дозволяла органісту самому регулювати швидкість відкриття всіх клапанів і як би робила йому ближчим цей аж надто механічний музичний інструмент.

У ХІХ на початку XX ст. будувалися великі органи з різноманітними електромеханічними та електропневматичними пристроями, але останнім часом перевага знову надається механічним передачам від клавіш і педалей, а складні електронні пристрої використовуються для одночасного включення поєднань регістрів під час гри на органі. Наприклад, найбільший орган у світі з механічною передачею було встановлено в концертному залі Сіднейського оперного театру в 1979 р. У ньому 10500 труб у 205 регістрах, розподілених між п'ятьма ручними та однією ножною клавіатурами. Клавішне керування здійснюється механічним способом, але воно дублюється електричною передачею, до якої можна підключатися. Завдяки цьому виконання органіста може бути записано в кодованій цифровій формі, яку можна використовувати для автоматичного відтворення на органі початкового виконання. Управління регістрами та їх поєднаннями здійснюється за допомогою електричних або електропневматичних пристроїв та мікропроцесорів з пам'яттю, що дозволяє широко варіювати керуючу програму. Таким чином, чудове багате звучання величного органу створюється поєднанням найпередовіших досягнень сучасної техніки та традиційних прийомів та принципів, які протягом багатьох століть використовувалися майстрами минулого.

Коли непримітні двері, пофарбовані в бежевий колір, відчинилися, погляд вихопив із темряви лише кілька дерев'яних сходинок. Відразу за дверима вгору йде потужний дерев'яний короб, схожий на вентиляційний. «Обережніше, це органна труба, 32 фути, басовий флейтовий регістр, — попередила моя проводжата. — Зачекайте, я увімкну світло». Я терпляче чекаю, передчуваючи одну з найцікавіших у моєму житті екскурсій. Переді мною вхід до органу. Це єдиний музичний інструмент, всередину якого можна зайти.

Органу понад сто років. Він стоїть у Великій залі Московської консерваторії, тому самому знаменитому залі, зі стін якого на вас дивляться портрети Баха, Чайковського, Моцарта, Бетховена… Проте все, що відкрито оку глядача, — це повернутий до зали тильною стороною пульт органіста і трохи химерний дерев'яний. проспект» із вертикальними металевими трубами. Спостерігаючи фасад органу, людина непосвячена так і не зрозуміє, як і чому грає цей унікальний інструмент. Щоб розкрити його таємниці, доведеться підійти до питання з іншого боку. У буквальному значенні.

Стати моїм екскурсоводом люб'язно погодилася Наталія Володимирівна Малина — охоронець органу, викладач, музикант та органний майстер. "В органі можна пересуватися тільки обличчям вперед", - суворо пояснює вона. До містики та забобонів ця вимога не має жодного відношення: просто, рухаючись назад або вбік, недосвідчена людина може наступити на одну з органних труб або зачепити її. А труб цих тисяч.

Головний принцип роботи органу, який відрізняє його від більшості духових інструментів: одна труба одна нота. Стародавнім предком органу можна вважати флейту Пана. Цей інструмент, що існував з незапам'ятних часів у різних куточках світу, є кілька пов'язаних разом порожнистих тростин різної довжини. Якщо подути під кутом у гирлі найкоротшої — пролунає тонкий високий звук. Довші тростинки звучать нижче.

Кумедний інструмент – губна гармоніка з незвичайними для цього інструменту розтрубами. Але практично таку саму конструкцію можна зустріти в будь-якому великому органі (на зразок того, що показаний на знімку праворуч) — саме так влаштовані «язичкові» органні труби

Звук трьох тисяч труб. Загальна схема На схемі представлена спрощена схема органу з механічною трактурою. Фотографії, що показують окремі вузли та пристрої інструменту, зроблено всередині органу Великої зали Московської державної консерваторії. На схемі не показано магазинне хутро, що підтримує постійний тиск у віндладі, та важелі Баркера (вони є на знімках). Також відсутня педаль (ніжна клавіатура)

На відміну від звичайної флейти, міняти висоту звучання окремої трубки не можна, тому флейта Пана може зіграти рівно стільки нот, скільки в ній тростинок. Щоб змусити інструмент видавати дуже низькі звуки, потрібно включити до його складу трубки великої довжини та великого діаметра. Можна зробити багато флейт Пана з трубками з різних матеріалів та різного діаметру, і тоді вони будуть видувати одні й ті самі ноти з різними тембрами. Але грати на всіх цих інструментах одночасно не вийде — їх не можна утримати в руках, та й дихання на гігантські «тростинки» не вистачить. А ось якщо поставити всі наші флейти вертикально, забезпечити кожну окрему трубку клапаном для впуску повітря, придумати механізм, який дав би нам можливість керувати всіма клапанами з клавіатури і створити конструкцію для нагнітання повітря з його подальшим розподілом, у нас якраз і вийде орган.

На старовинному кораблі

Труби в органах роблять із двох матеріалів: дерева та металу. Дерев'яні труби, що застосовуються для отримання басових звуків, мають квадратний переріз. Металеві труби зазвичай меншого розміру, вони циліндричні або конічні за формою та виготовляються, як правило, із сплаву олова та свинцю. Якщо олова більша — труба дзвінкіша, якщо більше свинцю, звук, що видобувається, більш глухий, «ватний».

Сплав олова та свинцю дуже м'який – ось чому органні труби легко піддаються деформації. Якщо велику металеву трубу покласти на бік, через деякий час вона під власним тягарем придбає овальний переріз, що неминуче позначиться на її здатності отримувати звук. Пересуваючись усередині органу Великої зали Московської консерваторії, я намагаюся торкатися лише дерев'яних частин. Якщо наступити на трубу або незручно схопитися за неї, у органного майстра з'явиться новий клопіт: трубу доведеться «лікувати» — виправляти, а то й запаювати.

Орган, у якому я перебуваю, — далеко не найбільший у світі і навіть у Росії. За розмірами та кількістю труб він поступається органам Московського будинку музики, Кафедрального собору в Калінінграді та Концертної зали ім. Чайковського. Головні рекордсмени знаходяться за океаном: наприклад, інструмент, встановлений у Залі з'їздів міста Атлантік-Сіті (США), налічує понад 33 000 труб. В органі Великої зали консерваторії труб у десять разів менше, «всього» 3136, але і ця значна кількість неможливо розмістити компактно на одній площині. Орган усередині – це кілька ярусів, на яких поряд встановлені труби. Для доступу органного майстра до труб на кожному ярусі зроблено вузький прохід як дощатого помосту. Яруси з'єднані між собою сходами, у яких роль сходинок виконують звичайні перекладини. Усередині органу тісно, а пересування між ярусами потребує певної спритності.

«Мій досвід говорить про те, — розповідає Наталія Володимирівна Малина, — що органному майстру найкраще бути худорлявої статури і мати невелику вагу. Людині з іншими габаритами тут складно працювати, не завдавши шкоди інструменту. Нещодавно електрик — важкий чоловік — міняв лампочку над органом, оступився і виламав кілька дощечок із дощатої покрівлі. Обійшлося без жертв і каліцтв, але дошки, що випали, пошкодили 30 органних труб».

Подумки прикидаючи, що в моєму тілі легко помістилася б пара органних майстрів ідеальних пропорцій, я з побоюванням поглядаю на хлипкі на вигляд сходи, що ведуть на верхні яруси. «Не турбуйтеся, — заспокоює мене Наталя Володимирівна, — йдіть тільки вперед і повторюйте рухи за мною. Конструкція міцна, вона вас витримає.

Свисткові та язичкові

Ми піднімаємось на верхній ярус органу, звідки відкривається недоступний простому відвідувачу консерваторії вид на Велику залу з верхньої точки. На сцені внизу, де щойно закінчилася репетиція струнного ансамблю, ходять маленькі чоловічки зі скрипками та альтами. Наталя Володимирівна показує мені поблизу труби іспанських регістрів. На відміну від інших труб вони розташовані не вертикально, а горизонтально. Утворюючи свого роду козирок над органом, вони трубять у зал. Творець органу Великої зали Арістід Кавайє-Коль походив із франко-іспанського роду органних майстрів. Звідси і піренейські традиції в інструменті на Великій вулиці Нікітській в Москві.

До речі, про іспанські регістри та регістри взагалі. "Регістр" - одне з ключових понять у конструкції органу. Це ряд органних труб певного діаметра, що утворюють хроматичний звукоряд відповідно до клавіш своєї клавіатури або її частини.

Залежно від мензури труб, що входять до їх складу (мензура — співвідношення найважливіших для характеру та якості звучання параметрів труби) регістри дають звук з різним тембровим забарвленням. Захопившись порівняннями з флейтою Пана, я мало не упустив одну тонкість: річ у тому, що далеко не всі труби органу (подібно тростинкам старовинної флейти) є аерофонами. Аерофон – це духовий інструмент, у якому звучання утворюється внаслідок коливань стовпа повітря. До таких відносяться флейта, труба, туба, валторна. А ось саксофон, гобой, губна гармошка складаються в групі ідіофонів, тобто «самозвучних». Тут коливається не повітря, а язичок, що обтікає потоком повітря. Тиск повітря та сила пружності, протидіючи, змушують язичок тремтіти та поширювати звукові хвилі, які посилюються розтрубом інструменту як резонатором.

В органі більшість труб – аерофони. Їх називають лабіальними, або свистковими. Ідіофонні труби становлять особливу групу регістрів і носять найменування язичкових.

Скільки рук у органіста?

Але як же музикантові вдається змусити всі ці тисячі труб — дерев'яних та металевих, свисткових та язичкових, відкритих та закритих — десятки чи сотні регістрів… звучати у потрібний час? Щоб це зрозуміти, спустимося на якийсь час з верхнього ярусу органу і підійдемо до кафедри, або пульту органіста. Непосвяченого, побачивши цей пристрій, охоплює трепет як перед приладовою дошкою сучасного авіалайнера. Декілька ручних клавіатур — мануалів (їх може бути п'ять і навіть сім!), одна ножна плюс ще якісь таємничі педалі. Ще є безліч витяжних важелів із написами на рукоятках. Навіщо все це?

Зрозуміло, в органіста всього дві руки і грати одночасно на всіх мануалах (в органі Великої зали їх три, що теж чимало) він не зможе. Кілька ручних клавіатур потрібні для того, щоб механічно та функціонально розділити групи регістрів, подібно до того, як у комп'ютері один фізичний хард-драйв ділиться на кілька віртуальних. Так, наприклад, перший мануал органу Великого залу управляє трубами групи (німецький термін - Werk) регістрів під назвою Grand Orgue. До неї входить 14 регістрів. Другий мануал (Positif Expressif) відповідає також за 14 регістрів. Третя клавіатура – Recit expressif – 12 регістрів. І нарешті, 32-клавішна клавіатура ножа, або «педаль», працює з десятьма басовими регістрами.

Розмірковуючи з погляду профана, навіть 14 регістрів на одну клавіатуру - це якось забагато. Адже, натиснувши одну клавішу, органіст здатний змусити зазвучати відразу 14 труб у різних регістрах (а реально більше через регістри типу mixtura). А якщо потрібно виконати ноту лише в одному регістрі або в кількох обраних? Для цієї мети власне і застосовуються витяжні важелі, розташовані праворуч та ліворуч від мануалів. Витягнувши важіль із написаною на рукоятці назвою регістру, музикант відкриває свого роду заслінку, що відкриває доступ повітря до труб певного регістру.

Отже, щоб зіграти потрібну ноту в потрібному регістрі, треба вибрати мануал або педальну клавіатуру, що управляє цим регістром, витягнути відповідний даному регістру важіль і натиснути на потрібну клавішу.

Потужний подих

Фінальна частина нашої екскурсії присвячена повітрі. Тому самому повітрі, яке змушує орган звучати. Разом із Наталією Володимирівною ми спускаємося на поверх нижче та опиняємось у просторому технічному приміщенні, де немає нічого від урочистого настрою Великої зали. Бетонна підлога, білі стіни, що йдуть вгору опорні конструкції зі старовинного бруса, повітропроводи та електродвигун. У перше десятиліття існування органу тут у поті чола працювали гойдалки-кальканти. Чотири здорові мужики вставали в ряд, хапалися обома руками за ціпок, одягнений у сталеве кільце на стійці, і поперемінно то однією, то іншою ногою давили на важелі, що надували хутро. Зміна була розрахована на дві години. Якщо концерт чи репетиція тривали довше, втомлених качальників змінювало свіже підкріплення.

Старі міхи, числом чотири, збереглися досі. Як розповідає Наталія Володимирівна, по консерваторії ходить легенда про те, що одного разу працю качальників намагалися замінити кінською силою. Для цього нібито було навіть створено спеціальний механізм. Проте разом із повітрям у Велику залу піднімався запах кінського гною, і засновник російської органної школи А.Ф., який приходив на репетицію. Гедіке, взявши перший акорд, невдоволено водив носом і примовляв: «Смердить!»

Правдива ця легенда чи ні, але в 1913 м'язову силу остаточно замінив електродвигун. За допомогою шківа він розкручував вал, який у свою чергу через кривошипно-шатунний механізм приводив у рух міхи. Згодом і від цієї схеми відмовилися, і сьогодні повітря до органу закачує електровентилятор.

В органі повітря, що нагнітається, потрапляє в так звані магазинні хутра, кожен з яких пов'язаний з однією з 12 віндлад. Віндлада - це резервуар, що має вигляд дерев'яного короба, для стисненого повітря, на якому, власне, і встановлені ряди труб. На одній віндладі зазвичай міститься кілька регістрів. Великі труби, яким не вистачає місця на віндладі, встановлені осторонь і з віндладою їх пов'язує повітропровід у вигляді металевої трубки.

Віндлади органу Великого залу (конструкція «шлейфладу») розділені на дві основні частини. У нижній частині за допомогою магазинного хутра підтримується постійний тиск. Верхня поділена повітронепроникними перегородками на так звані тонові канали. У тоновий канал мають вихід всі труби різних регістрів, керовані однією кнопкою мануалу або педалі. Кожен тоновий канал з'єднаний з нижньою частиною віндлади отвором, закритим пружним клапаном. При натисканні клавіші через трактуру рух передається клапану, він відкривається, і стиснене повітря потрапляє вгору, в тоновий канал. Всі труби, що мають вихід у цей канал, за ідеєю повинні почати звучати, але цього, як правило, не відбувається. Справа в тому, що через всю верхню частину віндлади проходять так звані шлейфи - заслінки з отворами, розташовані перпендикулярно тоновим каналам і мають два положення. В одному з них шлейфи повністю перекривають усі труби даного регістру у всіх тонових каналах. В іншому – регістр відкритий, і його труби починають звучати, як тільки після натискання клавіші повітря потрапить у відповідний тоновий канал. Управління шлейфами, як легко здогадатися, здійснюється важелями на пульті через реєстрову трактуру. Простіше кажучи, клавіші дозволяють звучати всім трубам у своїх тонових каналах, а шлейфи визначають обраних.

Дякуємо керівництву Московської державної консерваторії та Наталії Володимирівні Малині за допомогу у підготовці цієї статті.