Zvučanje svirala tumači se titranjem omeđenih stupova zraka. Postoje dvije vrste svirala: labijalne (sa usnama) i jezične svirale. Slika 1. prikazuje prerez labijalne svirale. K je korpus (tijelo) svirale. A je gornja usnica svirale (Oberlabium). B je donja usnica (Unterlabium, Vorschlag). Daščica C je jezgra (Kern). Između jezgre i donje usnice je pukotina D (Kernspalte). Otvor (udaljenost) između A i B nosi ime usta ili labij (Aufschnitt). Dio svirale ispod jezgre zove se noga svirale (Pfeifenfuss). Labij ima svoju širinu i visinu (Aufschnittsweite, Aufschnittshöhe). Svirala može biti od drva ili od kovinskog lima. Obično se upotrebljava slitina (legura) kositra i olova (87% do 40% kositra i 23% do 60% olova). Svirale na prospektu i velike[1] svirale imaju veći postotak kositra, one u nutrini orgulja i malene imaju manji postotak kositra. Principali i Gambe imaju veći postotak, Flaute manji postotak kositra. Kovinske svirale mogu biti cilindrične ili konične (gore uske, dolje široke ili obratno), a drvene su prizmatične ili piramidalne.
Nastanak tona u svirali
Zrak stisnut u zračnicama (Windlade) ispod svirale dože u nogu svirale. Kroz pukotinu D struji zrak prema bridu A gornje usne i tu se cijepa, te ide dijelom u tijelo svirale, a dijelom van. Dio zraka, koji uđe u tijelo svirale, prouzrokuje zgušćivanje na dnu tijela. Dok je zgušćivanje na dnu tijela, u tom trenutku prestane strujanje zraka u tijelo, i zrak struji samo prema van, a zgušćivanje putuje prema gornjem kraju svirale. Time nastane na dnu tijela normalno stanje, koje prema zgušćivanju znači razrjeđivanje. To razrjeđivanje pojačava se još time, što struja zraka prema van siše zrak iz svirale. Čim nastane razrjeđivanje, u isti čas navali opet jedan dio zraka u sviralu, te opet nastane zgušćivanje. Zgušćivanja i razrjeđivanja, koja se izmjenjuju na dnu tijela, šire se prema gornjem (slobodnom) kraju svirale, gdje se odbijaju (refleksija na slobodnom kraju) i vraćaju u sviralu. Jedno zgušćivanje i jedno razrjeđivanje čine jedan longitudinalni val. Ti su valovi u početku progresivni, te ti direktni valovi putuju od dna tijela prema gornjem kraju svirale, a reflektirani od gornjega kraja svirale prema dnu tijela. Interferencijom direktnih i reflektiranih valova nastanu u tijelu svirale stojeći valovi. Ako je svirala na kraju otvorena, onda se zbiva refleksija na slobodnom kraju. Osim toga je otvor i kod labija. Dakle, stup zraka će u takvoj sviralu titrati kao štap, koji je na obadva kraja slobodan, a u sredini poduprt.
To znači, da će na gornjem kraju svirale i kod labija biti trbuh, a čvor će biti u sredini svirale. Radi udobnijeg predočavanja crtat ćemo transverzalni val umjesto longitudinalnog vala. Kako se vidi iz slike 3., dužina svirale (l) iznosi dvije četvrtine vala, tj. l= 2 λ/4. Poznato je, da je dužina vala, λ= c × T, gdje je c= 333 m (brzina širenja valova zvuka u zraku), a T = trajanje jednoga titranja. Kod tona C čestica zraka napravi u jednoj sekundi 64 titraja, dakle za jedan titraj je potrebno vrijeme od 1/64 sekunde (T=1/64). Prema tome je λ=333 m × 1/64 = 300/60 m= 5 m. Sad možemo lako odrediti dužinu svirale za C – l = 2× λ/4 = 2× 5/4 m.
Odatle je l= 2,50 m= 250 cm. Ako uzmemo u obzir da jedna stopa (Fuss) iznosi 31 cm, onda možemo reći, da je svirala za C dugačka 8 stopa (8′). Na sličan način mogli bismo izračunati dužinu svirale za bilo koji ton. Neka bude ovdje navedena tabela visine tonova (broj titraja) i dužina svirala za neke tonove, koji često dolaze u obzir kod orgulja.
Visina tona kod svirale ovisna je samo o dužini svirale, te je broj titraja obrnuto proporcionalan (razmjeran) s dužinom svirale. Visina tona je neovisna o širini svirale. Boja zvuka iste dužine može biti različita prema tome, kako je svirala konstruirana. Napravimo li dvije cilindrične svirale jednake dužine, npr. 8′ duge; ali jedna neka bude uska, a druga široka. Obadvije će dati ton C, ali taj C kod svirale s promjerom od 150 mm zvučat će jedro i bit će pun, dok će onaj C= 64 titraja kod uske svirale s promjerom od 96 mm biti rezak, kao da je izveden na kojem gudaćem instrumentu, npr. violončelu. To dolazi odatle, što se uski stupac zraka lako razdijeli na više dijelova (pomoću čvorova), pa se uz osnovni ton svirale C= 64 titraja javljaju i njegovi alikvotni tonovi (c= 2×64 Hz, g=3× 64 Hz, c1= 4× 64 Hz itd.). Prisutnost alikvotnih tonova uz osnovni ton proizvodi karakterističnu boju osnovnoga tona, dok se sami alikvotni tonovi ne osjete kao samostalni tonovi.
Kaže se, da je svirala za ton C (8′) s promjerom od 150 mm široke menzure, a svirala za ton C (8′) s promjerom od 96 mm uske menzure.
Može se načiniti cijeli niz svirala široke menzure (58 svirala), tako da svakoj tipki klavijature odgovara jedna svirala. Dakako da u jednom nizu prema visini bivaju svirale sve kraće, ali i sve uže. Npr.
| C | c | c1 | |
| dužina svirale | 8′ | 4′ | 2′ |
| promjer svirale | 148,9 mm | 52,6 mm | 52,6 mm |
Kad bismo nizali tonove tih svirala po stanovitom redu, dobili bismo učinak, kao da sviramo melodiju na rogu. Isto takav niz uske menzure bio bi
| C | c | c1 | |
| dužina svirale | 8′ | 4′ | 2′ |
| promjer svirale | 97,4 mm | 65,3 mm | 38,8 mm |
Izmjenjujući i nižući tonove toga niza uskih svirala, dobili bismo učinak, kao da sviramo melodiju na violončelu.
Sad bi mogli načiniti sviralu 8′ (C= 64 Hz), i to tako, da bi gornja usna bila daleko od donje (hoher Aufschnitt). Taj C imat će mirni puni zvuk. Načinimo li 8′ C= 64 Hz tako da gornja usna bude blizu donje (niedriger Aufschnitt), osjetit će se udaranje zraka o gornju usnu, i zvuk toga C opet će se približiti po svojoj boji (Klangfarbe) zvuku gudaćih instrumenata.
Po tom opisivanju spoznajemo, da orguljar (Orgelbauer) ima raznih sredstava, da mijenja po volji boju zvuka sviralama. To umijeće zove se intoniranje svirala. Intoniranje svirala je u orguljarstvu od najviše umjetničke vrijednosti i cijene.
Drvene pravokutne svirale imaju svojstva cilindričnih limenih svirala; a piramidalne drvene svirale imaju svojstva koničnih limenih svirala. Konične svirale, koje su od labija prema gore sve uže, zvuče nazalno i muklo; a one koje prema gore bivaju sve šire, zvuče jasnije i vedrije od cilindričnih.
Zatvorene svirale
Kod otvorene svirale čvor je u sredini svirale (slika 4.). To znači, da u točki A zrak ne titra. AB je dužina četvrtine vala (λ/4). Ako u A stavimo daščicu CD, ne mijenja se na stvari ništa, jer sad A postane čvrsti kraj, tj. čestice u A ne titraju; dakle u A ostane i nadalje čvor, a ispod A ostaje i nadalje četvrtina vala, koja ima prijašnju dužinu. Visina tona ostaje dakle ista. Možemo onaj dio svirale iznad A pilom odstraniti, a umjesto pločice CD staviti čep poznatoga oblika. Ako sad prispodobimo sviralu otvorenu I i zatvorenu II, možemo stvoriti pravilo: Zatvorena svirala daje ton iste visine kao i otvorena svirala, koja ima dvostruku dužinu zatvorene svirale (slika 4.).
Prispodobimo li pak zatvorenu sviralu II s jednako dugom otvorenom sviralom III, dobit ćemo prijašnje pravilo preokrenuto: Zatvorena svirala daje za oktavu dublji ton nego jednako duga otvorena svirala.
Ako se zatvorena svirala izrađuje od lima, onda se ona ne zatvara čepom, nego kapom (slika 5.).
Stupac zraka u otvorenoj svirali može titrati kao štap na obadva kraja slobodan, tj. na krajevima ima trbuh, a u sredini čvorove, dakle može dati ove valove: (slika 6.).
Ako u dosta usku otvorenu sviralu sve jače pušemo, dobijemo zaista po redu sve one tonove, koji čine potpuni niz parcijalnih tonova (parni i neparni članovi niza). No i onda, ako posve slabo pušemo, te uho čuje samo osnovni ton niza, prisutni su i ostali članovi niza, ali su tako slabi, da ih ne čujemo kao samostalne tonove; no oni daju zasićenu boju i jedrinu, a katkada i sjaj osnovnomu tonu svirale. Kako se iz gornjega niza vidi, dobit ćemo najprije osnovni ton (n Hz); ako sada malo jače pušemo u sviralu, dobit ćemo oktavu osnovnoga tona (2n Hz). Stoga kažemo: otvorena svirala dade se prepuhati (überblasen) u oktavu.
Kod zatvorene svirale odnošaji su drugačiji. Kod čepa zatvorene svirale čvrsti je kraj i zbiva se refleksija na čvrstom kraju. Prema tome stup zraka u zatvorenoj svirali daje valove poput štapa, koji je pričvršćen na jednom kraju. Na pričvršćenom kraju je čvor, a na slobodnom kraju je trbuh (slika 7.).
Kad bismo kod zatvorene svirale dobili osnovni ton, pa kad bismo sve jače i jače puhali, dobili bismo samo neparne članove niza parcijalnih tonova (n, 3n, 5n, 7n, itd.). Osnovni ton ima n Hz (npr. C= 64 Hz), a prvi alikvotni ton ima odmah 3n (g= 3×64 Hz). Za tu pojavu kaže se: Zatvorena svirala prepuše se u duodecimu (kvinta nad oktavom osnovnoga tona). No i onda, kad dobivamo i čujemo samo osnovni ton, prisutni su kod zatvorene svirale neparni članovi niza parcijalnih tonova. Stoga zatvorene svirale imaju uglavnom mukli, a ponekad ponešto nazalni zvuk. Time se može tumačiti postanak nazalnog zvuka kod koničnih svirala, koje su prema gornjem kraju sve uže (Gemshorn), jer se te svirale mogu donekle ubrajati među poluzatvorene.
Posebice se kaže, da je Flauta sa cjevčicom (Rohrflöte, Flauto a camino) poluzatvorena svirala, koja se konstruira tako, da se na kapu zatvorene svirale doda mala otvorena cjevčica (slika 8.). Takva svirala ima posebnu boju zvuka: zvuk je nešto nazalan, ali vrlo svijetao.
Vidjeli smo, da se labijalnim sviralama mogu dati različite dimenzije i oblici, da se postignu razne boje zvuka. Neka bude ovdje spomenuta izrada gornje usne labijalne svirale (slika 9.). Kod te slike vidimo, da je kod brida gornje usne ravnina ab smještena na vanjskoj strani daske. Tomu se kaže, da je gornja usna labiirana prema van (nach aussen labiiert). Kod slike 10. je kosa ploha ab smještena na unutarnjoj strani daske. Tu je gornja usna labiirana prema unutra (nach innen labiiert). Takvo labiiranje nalazi se i kod orkestralne flaute. Kod takvog labiiranja donja usna nije jednostavna daščica (Vorschlagsbrett) kao ona kod m u prijašnjoj slici, nego je to posebna kutijica pq, koja prema kosoj ravnini gornje usne baca zrak koso na brid gornje usne. Toj kutijici Nijemci daju ime Frosch (žabica) ili Frosch-Vorschlag.
Udešavanje svirala
Kod orgulja svaka svirala daje samo jedan ton, na koji se ona može udesiti. Za udešavanje drvenih svirala nalazi se blizu kraja svirale prozorčić, po kojem se pomiče pomicaljka (Stimmschieber), kojom se može otvor prozorčića povećati ili smanjiti i time svirala skratiti ili produžiti, a ton svirale time povisiti ili sniziti (slika 11.).
Kod kositrenih svirala taj je prozorčić (Stimmschlitz) izrezan iz same svirale, a izrezana (s tri strane: gornje, lijeve i desne strane) pruga kositra namota se u svitak (Stimmrolle) na donjem kraju otvora. Taj svitak može se odmotati i opet namotati. Namotavanjem svitka prozorčić se povećava, a svirala skraćuje, a ton povisuje; dok se odmotavanjem svitka prozorčić smanjuje, svirala produžuje, a ton snižava (slika 12.).
Kod kositrenih svirala može se otvor svirale napraviti užim, ako se po otvoru svirale udara šupljim čunjem sprave za udešavanje (Stimmhorn, slika 13.). Time biva omjer otvora i proreza svirale manji, trbuh vala se udalji od svirale, val postane dulji, a ton dublji (slika 14.). Ako se drugi čunj sprave utiskuje u otvor svirale, otvor svirale biva veći. Trbuh vala se stoga približava k svirali; val postaje kraći, a ton viši (slika 15.). Veće labijalne svirale udešavaju se povećavanjem ili smanjivanjem prozorčića za udešavanje, a male labijalne svirale udešavaju se uz pomoć sprave za udešavanje. Kod zatvorene svirale ton postaje viši, što je čep dublje u sviralu utisnut.
Ako se otvor svirale sve više suzuje, ton biva sve dublji; kad se svirala napokon sasvim zatvori, ton postaje dublji za cijelu oktavu.
Danas se obično zahtijeva da se orgulje udese po normalnom a (a1= 435 titraja = 435 Hz). Međutim bolje je, da se udese po a1= 440 Hz u onom slučaju, ako orgulje trebaju sudjelovati s orkestrom. Inače je uvijek poteškoća glede čistoće glazbovanja, jer su orkestralni instrumenti većinom udešeni po a1= 440 Hz.
Jezične svirale
Konstrukcija jezičnih svirala vidi se na slici 16. Zrak ulazi iz zračnica (Windlade) kroz cijev Z u sviralu. U glavu G utaknuto je grlo s žlijebom Ž. Na gornjem kraju žlijeba pričvršćen je jezičac j, dok je gornji kraj jezičca slobodan, da može titrati. Jezičac ima svrhu da titra nalijevo i nadesno i time zatvara i otvara otvor žlijeba. Dvije su vrste jezičca: Slobodan jezičac, koji može unići u otvor žlijeba i time zatvoriti pristup zraka u žlijeb. Takav slobodan jezičac Nijemci zovu durchschlagende Zunge, a Talijani ancia libera. Jezičac, koji ne može proći kroz otvor žlijeba, nego samo udara na rubove žlijeba i time zatvara otvor žlijeba, zove se udarajući ili udarni jezičac (aufschlagende Zunge, ancia battende). Kad zrak uđe u čizmu Č, provuče se kroz pukotinu između jezičca i žlijeba u nutrinu grla, gdje nastane zgušćivanje. No zrak se i u čizmi zgusne, te tlači na jezičac i pritisne ga na žlijeb. Time se otvor žlijeba zatvori, i zrak ne može u žlijeb, pa u žlijebu nastane normalno stanje, koje prema prijašnjem zgušćivanju znači razrjeđivanje. Jezičac međutim zbog svoje elastičnosti pobjegne natrag u grlo i prouzrokuje novo zgušćivanje. Ta se igra ponavlja, pa jezičac neprestano titra nalijevo i nadesno, te se neprestano izmjenjuju zgušćivanja i razrjeđivanja, koja putuju prema gore u rezonator R (Schallkörper, Aufsatz). Na kraju rezonatora se reflektiraju, te interferencijom reflektiranih valova s direktnim valovima nastaju stojeći valovi, koji mogu dati ton.
Jezičac je limeni pravokutnik od žute mjedi ili zgodne slitine kositra i bakra (bronca). Broj titraja (visina tona) ovisi o elastičnosti materijala i o dimenzijama jezičca (duljina, širina i debljina). Deblji jezičac daje viši ton, nego tanki. Ako neki jezičac određene debljine daje n Hz u jednoj sekundi, onda 2, 3, 4, itd. puta deblji jezičac daje 2n, 3n, 4n itd. Hz u jednoj sekundi. Dulji jezičac daje dublji ton nego kratki. Ako jezičac određene debljine daje n Hz u sekundi, onda 2, 3, 4… puta dulji daje n/4, n/9, n/16… Hz u jednoj sekundi. Za udešavanje jezičca uvedena je kroz glavu (od drva) svirale kuka, napravljena od debele žice (Draht) S, od koje donji krak pritišće na jezičac tako, da samo donji slobodni kraj mn može titrati (slika 16.). Ako se kod A udara prema gore, kuka se kod M po jezičcu kliže prema gore, slobodni (titrajući) dio jezičca postaje dulji, a ton dublji. Zvuk samoga jezičca bio bi neizdašan, slab i bez boje (dakle nemuzikalan). Zbog toga se u glavu utakne cijev R, koja služi kao rezonator. Zrak u toj cijevi titra s titrajima jezičca i daje zvučnost i boju tonu prema obliku i dimenzijama rezonatora (cilindrična ili čunjasta cijev prema gore šira). Titranje zraka u rezonatoru bilo bi najbolje za pojačanje zvuka jezičca, kad bi vlastiti ton rezonatora bio iste visine kao i ton jezičca. Zbog toga bi npr. rezonator za C=64 Hz morao imati dužinu 8’=250 cm. No, svaka masa zbog svoje tromosti usporava brzinu, pa i stupac zraka rezonatora za C=64 Hz neće biti visok 250 cm, nego samo 160 cm; a onaj za c=128 Hz bit će dug 80 cm umjesto 125 cm. Teorija toga jako je zamršena, te su orguljari u tom pogledu upućeni većinom na iskustvo.
Jezičci veće širine izgovaraju teško. Da ipak proizvedu ton, mora orguljar pomoći time, da za svaki takav jezičac konstruira čizmu prikladne dužine. Evo tome tumačenja: moramo pretpostaviti da i u čizmi nastanu valovi. Orguljari zato kažu da jezičac titra i prema dolje. Stvar je ova: kad zrak navali u grlo, nestane tlaka u čizmi i u čizmi nastane razrjeđivanje, a kada jezičac zatvori otvor na žlijebu, u žlijebu nastane zgušćivanje. Progresivnim gibanjem tih zgušćivanja i razrjeđivanja po čizmi i njihovim refleksijama na krajevima čizme nastaju stojeći valovi i u čizmi (pred jezičcem). Dužina rezonatora donekle utječe na broj promjena faza kod titranja zraka u grlu i rezonatoru svirale, dok dimenzije čizme djeluju na broj promjena faza onih valova u čizmi pred jezičcem (”ispod jezičca”). Stoga orguljar mora iskustvom pogoditi odnošaj između dimenzija rezonatora i čizme, da faze valova u grlu i rezonatoru odgovaraju fazama valova u čizmi, tj. da valovito gibanje zraka ispod jezičca ne smeta (ne slabi) valovito gibanje zraka nad jezičcem, jer samo u tom slučaju može se postići zdrav i jedar muzikalni ton (zvuk). Neprilika je u tom, što dužina rezonatora ima utjecaj i na visinu tona, ali i na boju zvuka i na izgovor. Zbog toga graditelj orgulja ima često mnogo brige, da kod pojedine svirale sve te utjecaje dovede u povoljan odnošaj, i postigne ono što želi. Stoga nije čudo, da se katkada pojedina svirala s jezičcem nikako ili teško podvrgne željama orguljara, pa kolaudatori orgulja u tom pogledu moraju imati razumijevanja prema graditelju orgulja.
[1] Ako bi velike (teške) svirale imale veliki postotak olova, mogle bi se kod porasta temperature (ljeti) svinuti.
