TECHNOLOGICKÝ LIST č. 74

NÁRODNÍ PAMÁTKOVÝ ÚSTAV V PRAZE Valdštejnské nám. 3, 118 01 Praha 1 TECHNOLOGICKÝ LIST č. 74 poloprovozu ověřené technologie prototypu uplatněné metodiky funkčního vzorku autorizovaného software * Název: Zpevnění stěny dřevěné varhanní píšťaly po poškození červotočem Title: Strengthening of the walls of wooden organ pipes damaged by woodworm Původce (-i): Zdeněk Otčenášek, Marek Frič, Pavel Dlask, Ondřej Moravec, Martin Švejda, Petr Koukal Vlastník (-ci): Akademie múzických umění v Praze, Hudební a taneční fakulta, Výzkumné centrum MARC Lokalizace: 118 00 Praha 1, Malostranské nám 13 Abstrakt: Technologický list popisuje výsledky ověření technologie zpevnění stěn historických dřevěných varhanních píšťal poškozených dřevokazným hmyzem z akustického hlediska. Ověřená technologie je určena k obnovování autentického zvuku píšťal, jejichž dřevo znehodnotily chodbičky po žíru larev, a je tak vhodná k restaurování historických varhan. Ověřována byla technologie jejímiž hlavními kroky jsou: petrifikace píšťal přípravkem Solakryl BMX a vyplňování výletových otvorů červotoče tmelením směsí vosků (zvnějšku píšťaly) a vyléváním klihem (zevnitř píšťaly). Experimentálně bylo ověřováno, jak tato technologie ovlivňuje akustické parametry těla píšťaly (rychlost šíření akustické vlny materiálem, velikost průhybu stěny, tlumení módů vlastních kmitů stěny) a spektrum tónu. Výsledky pro jednotlivé technologické kroky jsou v technologickém listu graficky a slovně interpretovány. Abstract: The technical data sheet describes the results of the verification (from the acoustical point of view) of the method used to strengthen the walls of historical wooden organ pipes which were damaged by wood-decaying insect. The method was designed to restore the authentic sound of the pipes in which the wood was devalued by the corridors left by feeding larvae. The main steps of the method are: to petrify the pipes by Solakryl BMX, and filling the holes left by insect using cementing mixture of waxes (on the outer side of the pipes) and pouring glue (inside the pipes). An experiment was conducted to verify how this method affects the acoustic parameters of the pipe (speed of acoustical wave in the body of the pipe, deflection of the walls, damping of the wall eigenfrequencies) and the spectrum of tones. The technical data sheet graphically and verbally interprets the results.

Popis: Viz Příloha k TL č. 74. Inovační aspekty: Vliv technologií použitelných na zpevnění stěny historické dřevěné varhanní píšťaly po poškození červotočem nebyl nikdy dokumentován z hlediska vlivu na zvuk ovlivňující mechanické vlastnosti píšťaly a její zvuk. Stejně tak nebylo doposud provedeno objektivní ověření technologie obnovení funkčnosti žírem poškozené píšťaly, která by vyhovovala z akustického hlediska a byla tak vhodná pro restaurování historických varhan. Tento TL uvedenou problematiku řeší zcela nově. Přínosy: Autenticita zvuku patří mezi největší hodnoty hudebních památek, mezi které patří i historické píšťalové varhany. Po poškození dřevěné varhanní píšťaly žírem dřevokazným hmyzem dojde ke změně jejího znění. Proto, aby píšťala opět správně zněla, je nutné obnovit mechanicko akustické vlastnosti stěn píšťaly. Z důvodů zachování konstrukční a materiálové autenticity, je třeba k nahrazení poničených částí novým dřevem přistupovat jen zcela výjimečně, jen jako krajní řešení. Ke zpevnění stěny, která ještě drží svůj tvar, je třeba využívat technologie, které jsou dlouhodobě odolné, nenarušují vzhled a zejména umožňují návrat ke zvuku píšťaly, která je historická, ale nepoškozená. Prezentovaná ověřená technologie sama o sobě není ověřeným restaurátorským postupem, ale je nezbytným předpokladem kvalifikovaného vypracování komplexního památkového přístupu k historickým varhanám. Licence: Využití výsledku jiným subjektem je v některých případech možné bez nabytí licence (kód P). Vlastníkem licence je AMU a NPÚ. O udělení licence rozhoduje společně Výzkumné centrum MARC HAMU a Územní odborné pracoviště Národního památkového ústavu v Telči (NPÚ ÚOP Telč) Licenční poplatek: Poskytovatel licence na výsledek někdy požaduje licenční poplatek (kód Z). Licenční poplatek je vyžadován pro komerční použití. Obor: Umění, architektura, kulturní dědictví AL, Akustika a kmity BI Projekt: NAKI DF12P01OVV012 Identifikační číslo RIV: Poznámky: *nehodící se škrtněte

Abstrakt Příloha k TL č. 74 Zpevnění stěny dřevěné varhanní píšťaly po poškození červotočem Technologický list popisuje výsledky ověření technologie zpevnění stěn historických dřevěných varhanních píšťal poškozených dřevokazným hmyzem z akustického hlediska. Ověřená technologie je určena k obnovování autentického zvuku píšťal, jejichž dřevo znehodnotily chodbičky po žíru larev, a je tak vhodná k restaurování historických varhan. Ověřována byla technologie jejímiž hlavními kroky jsou: petrifikace píšťal přípravkem Solakryl BMX a vyplňování výletových otvorů červotoče tmelením směsí vosků (zvnějšku píšťaly) a vyléváním klihem (zevnitř píšťaly). Experimentálně bylo ověřováno, jak tato technologie ovlivňuje akustické parametry těla píšťaly (rychlost šíření akustické vlny materiálem, velikost průhybu stěny, tlumení módů vlastních kmitů stěny) a spektrum tónu. Výsledky pro jednotlivé technologické kroky jsou v technologickém listu graficky a slovně interpretovány. http://zvuk.hamu.cz/vyzkum/publikacni.php Bližší upřesnění výsledku: Z- ověřená technologie Interní kód produktu: Zpevnění stěny červotočové píšťaly Číselná identifikace: NAKI DF12P01OVV012 Technické parametry výsledku: Technická dokumentace ověření viz. TECHNOLOGICKÝ LIST č. 74 (vydán r. 2015 Výzkumným centrem MARC, HAMU v Praze) Ekonomické parametry výsledku: Ekonomické parametry nelze přímo vyčíslit, jelikož ověřená technologie má přínos zejména pro budoucí generace zachováním zvukové i materiálové autenticity historických varhan. Mimo uvedený obtížně vyčíslitelný kulturněhistorický přínos (obnova autentického zvuku při restaurování historických varhan za použití uvedené ověřené technologie ve všech případech zvýši historickou cenu této hudební památky) ušetří výrobu replik dřevěných píšťal v hodnotě 1 až 2 mil. Kč u malého až středně velkého nástroje (u velkých varhan ještě více, úměrně k jejich velikosti). Kategorie výsledků podle nákladů: A - Náklady <= 5 mil Kč IĆ: 61384984 a 75032333 Vlastník: Akademie múzických umění v Praze a Národní památkový ústav Licence: P/Z někdy Poplatek P/Z někdy 1

1. Úvod Při opravách historických varhan restaurátoři (varhanáři) musí vhodným způsobem ošetřit dřevěné díly varhan (především varhanní píšťaly), které jsou poškozeny výletovými otvory dřevokazného hmyzu, aby se zabránilo jejich úplnému znehodnocení. Jedním ze způsobů ošetření je zde popisovaná technologie. Tato technologie ovšem může ovlivnit mechanické vlastnosti, resp. akustické parametry takto ošetřených dílů a v případě varhanních píšťal tím může ovlivnit i jejich zvuk. Technologie zpevnění stěn historických dřevěných varhanních píšťal poškozených dřevokazným hmyzem byla ověřena na 14 vybraných historických dřevěných píšťalách pocházejících z varhan z kostela Sv. Markéty v Kašperských horách. Píšťaly byly v poškozeném stavu vlivem působení dřevokazného hmyzu, viz výchozí stav kapitola 2. Materiály, rozměry a tvary labia píšťal jsou uvedeny v tab. 1. Ke zjištění, jaký vliv má uvedená technologie (jednotlivé technologické kroky) na akustické parametry těla těchto píšťal (tlumení přechodových a vlastních kmitů stěny, velikost průhybu stěny, rychlost šíření akustické vlny materiálem) a jejich spektrum tónu, byla provedena jejich akustická dokumentace a měření transientních (přechodových a vlastních) kmitů jejich přední stěny. Vzhledem k technické a časové náročnosti měření vlastních kmitů stěny bylo toto měření provedeno pouze se čtyřmi píšťalami č.18, 19, 28 a 29, viz tab.1 a obr. 1, které byly vybrány především z důvodu jejich různého materiálu (druhu dřeva), ze kterého jsou zhotoveny a z důvodu svých rozměrů vhodných k jejich uchycení, viz kapitola 3. Jejich naměřené výsledky ovšem postačují k ověření vlivu technologie na výše zmíněné akustické parametry. Akustická dokumentace a měření vlastních kmitů byly provedeny ve výchozím stavu a po každém provedeném technologickém kroku, což umožnilo porovnat každý jeho vliv zvlášť. a) b) c) d) Obr. 1 Píšťaly č. 18 d), 19 b), 28 c) a 29 a), se kterými bylo provedeno měření transientních kmitů jejich přední stěny (na tomto obrázku se píšťaly nachází ve stavu po provedení všech technologických kroků). 2

Tab. 1 Rozměry, materiály a tvary labia měřených píšťal Píšťala č. (ID) Název Materiál stěn Tvar labia Šířka výřezu labia [mm] Výška výřezu labia [mm] (obloukový výř.= střed / kraj) Délka těla [mm] Šířka těla [mm] Hloubka těla [mm] Šířka vnitř. průřezu [mm] Hloubka vnitř. průřezu [mm] přední: radiálně 17 HW Fl. 8 a 2 řezaný dub ostatní: rad. i tan. řezaná borovice 18 HW Fl. 8 fis 1 19 HW Fl. 8 h 20 HW Fl. 8 gis 21 HW Fl. 8 c 22 Pos. Fl. 4 cis 2 23 Pos. Fl. 4 a 24 Pos. Fl. 4 H 25 26 Pos. Cop. 8 dis Pos. Cop. 8 c radiálně řezaná borovice tangenciálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice přední: radiálně řezaný dub ostatní: radiálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice přední: radiálně řezaný dub ostatní: radiálně řezaná borovice přední: radiálně 27 HW Fl. 4 a 1 řezaný dub ostatní: radiálně řezaná borovice 28 HW Fl. 4 dis 29 HW Fl. 4 A 30 Pos. Cop. 8 d přední: radiálně řezaný dub ostatní: radiálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice radiálně řezaná borovice obloukové 9,0 5,5/3,3 167 17,7 20,0 8,2 13,7 mírný oblouk, levý vous téměř rovné, oba vousy rovné, jízdenka rovné, vousy 22,4 9,6/9,0 382 37,3 43,5 22,1 28,7 27,5 12,0/11,2 602 44,9 49,7 27,8 35,4 29,5 11,5 732 52,0 54,3 31,5 34,9 43,0 16,2 1157 65,0 77,5 43,8 57,0 rovné 10,3 5,2 120 19,3 22,0 9,4 13,3 obloukové 21,0 10,5/8,0 320 30,3 41,0 21,5 26,7 rovné 30,0 13,3 583 49,0 56,0 31,3 38,4 rovné 19,4 8,2 280,5 30,2 32,3 19,1 23,4 rovné 11,6 5,4 165 21,4 25,7 11,7 16,2 rovné, trsátko rovné, pravý vous rovné, pravý vous, jízdenka 8,8 3,5 165 17,5 20,5 8,4 12,7 25,4 8,7 465 42,8 44,2 25,8 31,0 32,5 16,6 660 55,8 63,7 30,6 41,0 rovné 30,3 14,6 570 45,8 52,4 31,0 40,6 3.

2.1. Výchozí stav Popis jednotlivých kroků technologie Výchozí stav odpovídal stavu dřevěných píšťal po jejich vyjmutí z historických varhan před jejich restaurováním. Píšťaly byly napadeny a poškozeny dřevokazným hmyzem. Jejich dřevo bylo znehodnoceno chodbičkami po žíru larev. Na stěnách byly ještě zbytky tmelu a místy také šelakový nátěr jako pozůstatky z dřívějších oprav. Na obrázku 2a je tento stav zachycen na píšťale č. 18 jako příklad. Obr. 2a Píšťala č. 18 po vyjmutí z varhan (na přední stěně jsou v měřených pozicích nalepeny měřící odrazné terčíky). 2.2. První technologický krok Většina měřených otevřených píšťal byla opatřena ladítky, u píšťal č. 21, 22 a 23 ladítka scházela. Na počátku 1. technologického kroku byla všechna ladítka odstraněna. Byly též odstraněny vousy (u píšťal č. 18, 19, 21, 29) a vysprávky labií cizorodými materiály (viz obr. 2b). Obr. 2b Vysprávky labií píšťal č. 20, 27 a 29 cizorodými materiály. První technologický krok spočívá v čištění píšťal, které je nejdříve prováděno pomocí. Dojde-li k rozpadu lepených spojů, jsou tyto spoje obnoveny. 4

Obr. 3 Píšťala č. 18 po provedení prvního technologického kroku (na přední stěně jsou v měřených pozicích nalepeny měřící odrazné terčíky). 2.3. Druhý technologický krok Druhý technologický krok spočívá Na obrázku 4 je zachycen účinek tohoto kroku na píšťale č. 18 jako příklad. Na obrázku 4 je zachycen účinek tohoto kroku na píšťale č. 18 jako příklad. Obr. 4 Píšťala č. 18 po provedení druhého technologického kroku (na přední stěně jsou v měřených pozicích nalepeny měřící odrazné terčíky). 5

2.4. Třetí technologický krok Třetí technologický krok spočívá v Na obrázku 5 je zachycen účinek tohoto kroku na píšťale č. 18 jako příklad. Obr. 5 Píšťala č. 18 po provedení třetího technologického kroku (na přední stěně jsou v měřených pozicích nalepeny měřící odrazné terčíky). 2.5. Čtvrtý (poslední) technologický krok Čtvrtý technologický krok spočívá ve. 6

2. Metody měření Měření transientních kmitů přední stěny píšťal vycházelo z metody popsané v lit. [1]. Rozdíl spočíval v tom, že k měření nebyl použit měřící systém PulsESPI (pulsní elektronický speckle interferometr od firmy DANTEC, který měří relativní výchylky kmitů na celé ploše měřeného objektu najednou v jednom definovaném časovém okamžiku), ale laserový dopplerovský vibrometr od firmy Polytec (typ OFV-2802i). Tento typ vibrometru měří rychlost kmitů dvěma laserovými paprsky. Oproti měřícímu systému PulsESPI je tak najednou schopen měřit rychlost jen ve dvou bodech měřeného objektu, ale dokáže ji měřit kontinuálně po neomezeně dlouhou dobu. Tento postup měření vibrací se ukázal jako výhodnější z hlediska úspory času na jedno měření aniž by se zhoršila přesnost, resp. výsledek měření. Základním principem použitého zařízení OFV-2802i je taktéž laserová interferometrie, viz obr. 6. Obr. 6 Základní princip laserového dopplerovského vibrometru (převzato z [2]). Přední stěny byly měřeny v jejich pěti vhodně zvolených měřících pozicích (bodech), viz obr. 8 až 11. Tyto byly, jak při měření stěn ve výchozím stavu, tak při měření stěn po každém provedeném technologickém kroku na svých stejných místech, viz obr. 2 až 5 jako příklad umístění měřících pozic u píšťaly č. 18. Vzhledem k malé (nedostatečné) odrazivosti laserového paprsku od měřených bodů dřevěného povrchu předních stěn, byl do každého tohoto bodu umístěn speciální papírový samolepící šestihranný měřící terčík s již dostatečně odrazivou plochou, viz obr. 8 až 11. Měřené píšťaly byly uchyceny, jak při měření stěn ve výchozím stavu, tak při měření stěn po každém provedeném technologickém kroku, ve stejné poloze a stejným způsobem. Takovým, aby nedocházelo k pohybu vůči laserovým snímačům vibrometru a přitom se mohla přední stěna v rámci svých okrajových podmínek volně pohybovat (horní a spodní část zadní stěny píšťal byla uchycena ve svěráku s pryžovými čelistmi, viz obr. 7). Laserový paprsek obou laserových snímačů vibrometru, jejichž poloha (výška a úhel) byla mechanicky nastavitelná, vždy směřoval do středu měřících terčíků, kolmo k měřené přední stěně (ve vertikálním i horizontálním směru), viz obr 7. Kmity byly buzeny krátkým úderem (pulsem) pomocí hrotu impulsního kladívka do přední stěny píšťaly ve zvoleném místě pod labiem, viz obr. 7 až 11. Toto místo úderu bylo, jak při měření stěn ve výchozím stavu, tak při měření stěn po každém provedeném technologickém kroku, stejné. Při každém měření byly vždy snímány kmity ve dvou měřených pozicích najednou pro několik úderů kladívka provedených za sebou, ale vždy s malou prodlevou mezi údery (cca. 4s). Tyto údery byly vždy prováděny se stejnou intenzitou (silou) pomocí elektronicky ovládaného automatického spouštěče kladívka, viz lit. [1] a obr. 7. Každé měření bylo pomocí zvukové karty a softwaru pro zpracování zvuku (audacity) zaznamenáno do (wav) souborů a následně zpracováno. Vzhledem k eliminaci možné chyby měření vlivem uchycení píšťal bylo vždy s jejich přední stěnou 7

provedeno pět po sobě jdoucích nezávislých sérií měření (před každou sérií byla vždy píšťala ze svěráků vyjmuta a znovu uchycena) a jejich výsledky pro příslušné byly zprůměrovány. Vzhledem k možnosti přehlednějšího a objektivnějšího porovnání kmitů bylo nutné jejich časový vývoj naměřených rychlosti v čase integrovat a porovnávat tak jejich výchylky. Automatický spouštěč impulsního kladívka uchycený ke kovovému podstavci pomocí silného magnetu Laserové snímače vibrometru Místo úderu hrotu impulsního kladívka Svěráky pro uchycení píšťaly Polohovací držáky laserových snímačů Elektronické ovládání automatického spouštěče impulsního kladívka Měřená přední stěna píšťaly Laserové paprsky snímající transientní kmity přední stěny píšťaly v měřících pozicích 3 a 4 Obr. 7 Uchycení a umístění měřených píšťal (v tomto případě píšťaly č. 29 ve výchozím stavu), automat. spouštěče impulsního kladívka, laserových snímačů vibrometru Polytec (v měřících pozicích 3 a 4) a ostatních komponentů při měření transientních kmitů jejich přední stěny. 1 5 4 3 2 Místo úderu Obr. 8 Přední stěna měřené píšťaly č. 29 ve výchozím stavu s nalepenými měřícími terčíky v měřených pozicích. 8

1 Místo úderu 5 4 3 2 Obr. 9 Přední stěna měřené píšťaly č. 28 ve výchozím stavu s nalepenými měřícími terčíky v měřených pozicích. 1 Místo úderu 5 4 3 2 Obr. 10 Přední stěna měřené píšťaly č. 19 ve výchozím stavu s nalepenými měřícími terčíky v měřených pozicích. 1 Místo úderu 5 4 3 2 Obr. 11 Přední stěna měřené píšťaly č. 18 ve výchozím stavu s nalepenými měřícími terčíky v měřených pozicích. 9

Výsledky měření kmitů z měřících pozic 2, 4 a 5 nebyly vzhledem k jejich velmi nízké úrovni zahrnuty do vyhodnocení! Akustická dokumentace píšťal byla provedena v bezdozvukové místnosti, viz obr. 12. Píšťaly byly měřeny při tlaku 63 mm v. s. Pro akustickou dokumentaci píšťal byla použita metoda popsaná v lit. [1]. Ze získaných zvukových záznamů byla spočítána kmitočtová a harmonická spektra tónů píšťal. Obr. 12 Píšťala na vzdušnici v bezdozvukové místnosti během akustické dokumentace jejího zvuku. 10

3. Ověření technologických kroků Na následujících grafech jsou naměřené výsledky dokumentující vliv jednotlivých technologických kroků na spektrum tónu píšťal a na akustické parametry (výchylky, resp. tlumení přechodových a vlastních kmitů a rychlosti šíření vlny v materiálu) přední stěny píšťal č. 18, 19, 28 a 29. Obr. 13 Přechodové a vlastní kmity přední stěny píšťaly č. 29 v měřící pozici 1 (přechodový stav kmitů probíhá v čase 0s až cca. 0,002s). Obr. 14 Přechodové a vlastní kmity přední stěny píšťaly č. 29 v měřící pozici 3 (přechodový stav kmitů probíhá v čase 0s až cca. 0,002s). 11

Obr. 15 Přechodové a vlastní kmity přední stěny píšťaly č. 28 v měřící pozici 1 (přechodový stav kmitů probíhá v čase 0s až cca. 0,002s). Obr. 16 Přechodové a vlastní kmity přední stěny píšťaly č. 28 v měřící pozici 3 (přechodový stav kmitů probíhá v čase 0s až cca. 0,002s). 12

Harmonická spektra tónů píšťal č. 17-30. Pro píšťaly, u nichž po některém technologickém kroku došlo k výrazné změně výšky tónu, jsou použity čárové grafy, pro ostatní píšťaly sloupcové grafy. V grafech jsou uvedeny i základní kmitočty tónů píšťaly (f 0 ). Obr. 21 Harmonické spektrum píšťaly č. 17, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. Obr. 22 Harmonické spektrum píšťaly č. 18, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. 15

Obr. 23 Harmonické spektrum píšťaly č. 19, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. Obr. 24 Harmonické spektrum píšťaly č. 20, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. 16

Obr. 25 Harmonické spektrum píšťaly č. 21, mikrofon čelně před píšťalou. Obr. 26 Harmonické spektrum píšťaly č. 22, mikrofon čelně před píšťalou. 17

Obr. 27 Harmonické spektrum píšťaly č. 23, mikrofon čelně před píšťalou. Obr. 28 Harmonické spektrum píšťaly č. 24, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. 18

Obr. 29 Harmonické spektrum píšťaly č. 25, mikrofon čelně před píšťalou. Obr. 30 Harmonické spektrum píšťaly č. 26, mikrofon čelně před píšťalou. 19

Obr. 31 Harmonické spektrum píšťaly č. 27, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. Obr. 32 Harmonické spektrum píšťaly č. 28, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. 20

Obr. 33 Harmonické spektrum píšťaly č. 29, mikrofon čelně před píšťalou. Během 1. technologického kroku odstraněno ladítko. Obr. 34 Harmonické spektrum píšťaly č. 30, mikrofon čelně před píšťalou. 21

4. Závěr Akustické vlastnosti materiálu stěny: První technologický krok má Akustické vlastnosti zvuku: Z naměřených výsledků akustické dokumentace píšťal č. 17-30 je patrné, že jednotlivé technologické kroky restaurování mají výrazný vliv na zvuk píšťaly. Vliv každého technologického kroku na zvuk závisí především na Technologie je tak z akustického hlediska vhodná k restaurování dřevěných píšťal pro zachování jejich autentického zvuku. Literatura [1] Otčenášek, Z., Moravec, O., Dlask, P., Švejda, M. (2013): Metodika objektivního posouzení změn zvuku při restaurování píšťaly historických varhan, Technologický list č. 53, AMU, Praha. [2] www.polytec.com [3] Otčenášek, Z., Frič, M., Dlask, P., Moravec, O., Švejda, M., Koukal, P. (2013): Náhrada dřeva stěn dřevěné varhanní píšťaly, Technologický list č. 75, AMU, Praha. 22