Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти i науки України

Харківська національна академія міського господарства

Світлотехнічні установки та системи

Н.О. Ільїна

Ю.О. Васильєва

Харкiв-ХНАМГ-2006

УДК 628.971

Світлотехнічні установки та системи: конспект лекцій для студентів 4 курсу денної і 5 курсу заочної форм навчання спеціальності 6.090.600 «Світлотехніка та джерела світла» Н.О. Ільїна, Ю.О.Васильєва - Харків: ХНАМГ, 2006.- 104с.

Автори: Н.О. Ільїна, Ю.О.Васильєва

Рецензент: д.т.н., проф. Г.Г. Жемеров (НТУ „ХПІ”)

Рекомендовано кафедрою „Світлотехніка і джерела світла”, протокол N2 від 5.10.05р.

© Н.О. Ільїна, Ю.О.Васильєва, ХНАМГ, 2006

ВСТУП

У даний час склалося декілька тенденцій у світлотехніці, аналіз яких дозволяє краще оцінити ситуацію і виробити програму дій на найближчий період. У зв'язку з цим розглянемо ці тенденції.

Виробництво в області світлотехніки в цілому характеризується пожвавленням, що виявилося в рості обсягів виробництва різних видів світлотехнічних виробів за останні роки. Необхідно також відзначити появу нових виробників світлотехнічної продукції, що, безумовно, є позитивним чинником. Однак підвищення обсягів виробництва, на жаль, у більшості випадків не супроводжується підвищенням якості виробів. Продукція за номенклатурою, технічним рівнем відстає від закордонних фірм і не лежить у руслі основних напрямків розвитку сучасної світлотехніки [1].

У світлотехніці одним з головних критеріїв прогресу є створення нових засобів освітлення. У цьому напрямку не можна не відзначити ряд цікавих робіт, як, зокрема, енергоекономічні й довговічні ГЛР, безртутні натрієві лампи для світильників різного призначення, безртутні МГЛ для опромінення рослин у теплицях, лампи для експонування фотоформ у поліграфії. До числа важливих і перспективних робіт треба також ще віднести наступні: комплексні дослідження зі створення сірих ламп, що об'єднують зусилля декількох організацій; роботи з катодолюмінесценції; створення нових оптичних систем перерозподілу випромінювання, в тому числі за допомогою світловодів; використання оптичного випромінювання для знезаражування води та ін. [1,2].

Крім того, з'явилася велика кількість установок внутрішнього і зовнішнього освітлення, виконаних на найвищому рівні. Зовнішнє архітектурне освітлення за останні роки одержало широкий розвиток. У Москві, Санкт-Петербурзі та інших містах Росії з'явилося багато чудово виконаних ОУ, які змінили вечірній вигляд міста, що багато в чому сприяло росту якісного освітлення. В ОУ внутрішнього освітлення найбільший розвиток одержали установки громадських будинків (банки, офіси, видовищні об'єкти).

Говорячи про досягнення в області техніки освітлення, не можна не відзначити два важливих фактори: застосування міжнародних норм і рекомендацій МКО і використання методів візуалізації ОУ за допомогою комп'ютерної техніки. Цей метод одержує все більше поширення і дозволяє досить точно імітувати кінцевий результат, втілити задум художника-архітектора, уникнути важких помилок.

Однієї із сучасних тенденцій у створенні енергозберігаючих ОУ є врахування природного рівня освітленості при проектуванні освітлення будинків. При цьому акцент робиться на зниженні частки штучного освітлення будинків за рахунок більшого використання природного, але не на шкоду якості створюваного освітлення.

У зв'язку з вищевикладеним комп'ютерні методи в підходах до створення освітлювальних установок є досить перспективними [3,4]. Світлотехнічні розрахунки в цілому супроводяться значним обсягом обчислень. У більшості випадків методики розрахунку ОУ пов'язані з вибором і аналізом великого числа різноманітних параметрів, типів джерел світла, різних схем розміщення світильників і в підсумку можливих варіантів проектних рішень. Особливе місце в сучасному проектуванні ОУ займає автоматизоване проектування СУ. Використання баз даних до світлотехнічному розрахунку, реалізованих на ЕОМ, дозволяє значно скоротити час підбору підходящого елемента (джерела світла, світлового приладу, варіанта розміщення), полегшує порівняння обраних варіантів за економічними і технічними показниками. В останні роки велике поширення одержало графічне моделювання.

Завдяки інтенсивному технологічному розвиткові ЕОМ і зниженню їхньої вартості системи автоматизованого проектування (САПР) все більше використовуються проектувальниками ОУ й архітекторами в їхній роботі. З розвитком програмного забезпечення САПР вже не обмежується кресленням планів. Сьогодні існує можливість відтворити зображення екстер'єру проектованого будинку й інтер'єрів його приміщень. Як правило, програми візуалізації результатів розрахунків внутрішнього освітлення не точні. Це пов'язано з тим, що розрахований розподіл яскравостей, а також відтворення окремих матеріалів неадекватне натурі, моделювання на ЕОМ може призвести до помилкового враження. В останні роки коректному моделюванню освітлення було приділено багато уваги. Дослідження не обмежувалися тільки фізично правильними розрахунками, вирішувалося завдання інтерпретації результатів розрахунку для забезпечення правильного відтворення. Дотепер такі системи застосовувалися лише у вузькому колі фахівців. У даний час дизайнери освітлення все частіше одержують архітектурні плани не на папері, а на дискеті. Інформація в такій формі може бути безпосередньо введена в САПР.

Тривимірне зображення світильників зберігається в базі даних САПР разом з характеристиками оздоблювальних матеріалів. Після задання характеристик матеріалів поверхонь може бути запущена програма розрахунку ОУ. Результати розрахунку відтворюються у графічній формі. На основі тих же результатів можливе відтворення тривимірного перспективного зображення приміщень, на якому відображається розподіл яскравостей по поверхнях. Зображення світильників і результати розрахунків зберігаються у вигляді графічних файлів у базі даних САПР. Це дозволяє використовувати стандартні функції САПР при оперуванні з результатами світлотехнічних розрахунків, наприклад, відтворювати розподіл освітленості або яскравості в різних перетинах приміщення. Крім того, спеціалізовані САПР можна використовувати при комплексному проектуванні, включаючи електричну мережу.

При використанні САПР слід враховувати, що при її розробці повинні бути пред'явлені високі вимоги до світлотехнічного модуля, найбільш важливим з яких є передача даних між різними САПР.

У більшості випадків системи мають стандартні інтерфейси типу EKF-IGES, що дозволяють обмінюватися тільки двовимірною інформацією. У розрахункову програму із САПР передається тривимірна інформація. Крім розмірів і розташування світильників, вводяться характеристики матеріалів, необхідні для розрахунків візуалізації. Програма розрахунку повертає результати в САПР. Після визначення фотометричних характеристик на планах приміщення можуть бути накреслені графіки ізолюкс. Описані зв'язки найкраще реалізуються через прямий інтерфейс. Але розрахункова програма не повинна мати обмежень за числом поверхонь, їх розташуванням і формою, приміщення, проектовані за допомогою САПР, не повинні мати тільки прямокутну форму, необхідно враховувати тінь від меблів і устаткування. Усі ці вимоги враховуються у стандартних програмах.

Широку практику набула реконструкція вже існуючих ОУ. З цією метою використовуються спеціальні комп'ютерні програми. Останні можуть застосовуватися для освітлення цілого крила будинку або поверху ДС однієї кольоровості, але з різними світловими потоками. У такий спосіб досягається економія електроенергії і забезпечується якість освітлення. Додаткові переваги виникають при збереженні файлу з даними про світильники, що знайшли застосування в ОУ будинку. Як тільки на ринку з'являються нові ДС і технологія освітлення, вони можуть бути легко включені в діючу ОУ. Дані про світлорозподіл СП зберігаються в пам'яті комп'ютера. Користувачеві доступні для перегляду одночасно кілька варіантів. В одному можна переглянути значення рівнів освітленості до і після реконструкції СУ, а також остаточні результати їхньої економії електроенергії для кожного приміщення, в другому - нові рівні освітленості, розміри приміщень, ступінь їхньої зайнятості. Крім того, користувачеві доступний повний набір типових звітів. Вони містять у собі потенційну економію, типи і характеристики ДС і СП, використаних у кожному приміщенні.

Таким чином, раціональне світлотехнічне проектування є одним із сучасних шляхів економії електроенергії.

ЛЕКЦІЯ 1. ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ НОРМУВАННЯ СВІТЛОТЕХНІЧНИХ УСТАНОВОК

Світлотехнічні установки застосовуються у всіх областях народного господарства і є найбільш розповсюдженими серед інших електроустановок.

Мета вивчення дисципліни полягає у формуванні знань з питань нормування, розрахунку і проектування світлотехнічного та електричного носіїв освітлювальних установок.

Завданнями вивчення дисципліни є одержання уявлення про принципи дії світлотехнічних установок, що дозволяє брати участь у практичній роботі з їх обслуговування і вироблення вміння вирішувати питання нормування освітлювальних установок (вибір освітленості, оцінка якості освітлення, складання галузевих норм), проведення світлотехнічних розрахунків освітленості в полі точкових і протяжливих джерел світла, кваліфіковано формулювати завдання на розробку світлотехнічних установок, виконувати світлотехнічну й електротехнічну частини проекту установок, оцінювати техніко-економічну ефективність рішень з урахуванням економії енергії, матеріалів і трудових ресурсів.

Курс „Світлотехнічні установки та системи” базується на знаннях, отриманих студентами із загальнотеоретичних (фізика, вища математика, програмування і застосування ЕОМ), загальнотехнічних (інженерна графіка, теоретичні основи електротехніки, економіка електротехнічної промисловості) і спеціальних (основи світлотехніки, фотометрія, джерела випромінювання, світлові прилади) дисциплін.

Знання, отримані при вивченні курсу, можуть безпосередньо використовуватися в інженерній практиці і розвиватися в курсах навчання на вибір (спеціальні світлотехнічні установки, монтаж і експлуатація світлотехнічних установок).

1.1 Мета і завдання нормування

Проектування світлотехнічних установок будь-якого призначення необхідно починати з вибору параметрів установки, що визначають її продуктивність. Дані про щільність опромінення фотореагента в установці фотохімічної дії можуть бути отримані із заданої (обраної) кількості виходу продукту в одиницю часу. Щільність опромінення в установках променистого нагрівання і сушіння визначається температурою і часом нагрівання.

У ряді випадків вибір щільності опромінення або кількості опромінення в опромінювальних установках cлiд робити на основі розрахунку декількох варіантів, з яких вибирається за техніко-економічними показниками оптимальний. Для виконання розрахунків, що визначають оптимальний варіант, необхідно знати питомі витрати енергії в опромінювальній установці (витрати енергії на одиничну кількість продукту), для чого слід виразити продуктивність установки через фотометричні характеристики.

Найбільш складним є вибір параметрів продуктивності освітлювальних установок, а також опромінювальних установок біологічної дії ( складність процесів, кількісні характеристики рівня біологічних процесів не завжди відомі). У таких випадках вихідні дані проектування визначаються деякими нормативними даними, встановлюваними приблизно на основі аналізу непрямих показників, наприклад для освітлювальних установок рівнями функцій зору, зоровою працездатністю, продуктивністю праці, стомленням, що виникає у процесі зорової роботи, і т.п.

Нормування освітлювальних установок можливе прямими і непрямими методами.

Пряме нормування передбачає регламентацію тих величин, що безпосередньо визначають продуктивність установки. Це, наприклад, продуктивність праці і промислових освітлювальних установок, рівень видимості або розрізнення із заданою вірогідністю вирішення зорової задачі, зорова працездатність, світлота навколишнього простору. Такий метод нормування, що визначає безпосередньо рівень виконання основної мети освітлювальної установки, є найбільш досконалим. Відсутність достатнього матеріалу, що дозволяє при проектуванні перейти від нормованого рівня видимості, зорової працездатності або світлоти до фотометричних характеристик установки, значною мірою утрудняє застосування цього методу нормування. В окремих випадках залежність продуктивності освітлювальної установки від кількісних і якісних показників освітлення може бути визначена експериментально одним з обраних критеріїв.

Непряме нормування освітлювальних установок, засноване на регламентації фотометричних характеристик установки, а також на їхньому розподілі й співвідношенні в освітлюваному просторі й часі і за спектром, є менш удосконаленим з погляду необхідності забезпечення продуктивності установок, але більш прийнятним для практики проектування.

Непрямий метод нормування освітлювальних установок, заснований на регламентації рівня їхньої продуктивності фотометричними характеристиками, має такі особливості:

а) будь-яка фотометрична характеристика (освітленість, яскравість освітлюваної поверхні, об'ємна щільність світлової енергії та ін.), що визначає рівень продуктивності установки, нелінійно зв'язана з нею;

б) характер нелінійної залежності продуктивності освітлювальної установки від рівня обраної фотометричної характеристики неоднаковий для різних виробничих процесів і залежить від їхньої структури, точності й напруженості зорової роботи;

в) залежність продуктивності освітлювальної установки від рівня обраної фотометричної характеристики визначається не тільки її кількісним значенням, але і структурою світлового поля в освітлюваному просторі, а також спектром і часом, що характеризує якість освітлення.

Якість освітлення визначається якістю випромінювання, використовуваного в освітлювальній установці. Якість будь-якого оптичного випромінювання характеризується розподілом його: а) у просторі; б) в часі; в) за спектром.

Від просторового розподілу випромінювання, що падає на освітлюваний рельєфний об'єкт, залежить розташування світла і тіней по його поверхні і фону. Визначає яскравісний контраст і кутовий розмір, що характеризує імовірність і швидкість виявлення об'єкта або розходження його форми при заданому рівні яскравості поля чи зору. Яскравісний контраст і кутовий розмір рельєфного об'єкта спостереження, що змінюються залежно від умов його освітлення і спостереження, прийнято називати відповідно еквівалентним контрастом і еквівалентним кутовим розміром об'єкта спостереження .

Спектральний розподіл відіграє вирішальну роль у формуванні контрасту об'єкта спостереження. Правильний вибір спектрального складу випромінювання може забезпечити істотне збільшення розходження об'єкта і фону не тільки за кольоровістю, але і яскравістю. Розподіл випромінювання за спектром може вплинути на колір. В освітлювальній техніці прийнято всі показники, що визначають ефективність освітлення за рахунок якості випромінювання, що надходить в око спостерігача, відносити до групи якісних характеристик освітлення. З наведених прикладів залежності еквівалентних значень контрасту і кутового розміру об'єктів спостереження від якості випромінювання, використовуваного для цілей освітлення, випливають такі якісні характеристики:

а) розподіл яскравості по поверхні об'єкта спостереження і прилеглого до нього ділянки фону -- мікророзподіл яскравості;

б) розподіл яскравості в полі зору спостерігача -- макророзподіл яскравості;

в) розподіл світлового потоку джерел світла в часі, що залежить від властивостей джерел світла, способів їхнього включення і якості живильної їхньої електричної енергії;

г) розподіл випромінювання за спектром.

Якісні характеристики (показники) освітлення визначають ефективність освітлювальної установки нарівні з кількісними критеріями. З огляду на це при нормуванні й проектуванні освітлювальних установок необхідно розглядати якісні й кількісні характеристики освітлення як дві сторони єдиної оцінки ефективності й продуктивності установок.

Оскільки рівень нормованих характеристик визначає потреби в енергії, матеріалах і устаткуванні, то необхідно при розробці правил і норм освітлення та опромінення брати до уваги, крім урахування продуктивності установки також її економіку. Отже, незалежно від призначення освітлювальних і опромінювальних установок біологічної дії кінцевою метою їх нормування повинні бути:

а) забезпечення належного рівня якісних і кількісних характеристик освітлення, що визначають продуктивність установки;

б) регламентація витрати енергії, матеріалів і обладнання, а також засобів на експлуатацію установки.

Взаємозв'язане вирішення цих задач нормування на основі техніко-економічного зіставлення можливих варіантів дозволить підійти до вибору норм штучного освітлення.

До методу непрямого нормування необхідно також віднести нормування питомої встановленої потужності (потужність освітлювальної установки на 1м2 освітлюваної площі), безпосередньо визначальний рівень виконання другої мети нормування -- регламентації витрати енергії, матеріалів і устаткування для цілей освітлення.

Деякі визначення

Ефект дії випромінювання у світлотехнічній практиці часто оцінюється умовно обраними величинами (оптична щільність виявленого зображення, світлота випромінювання, яскравість фотолюмінесценції та ін.). Тому чутливість приймача (речовини, що реагує на поглинуте випромінювання) звичайно прийнято визначати відношенням умовно обраної величини, пропорційної ефективному значенню енергії, до енергії падаючого на приймач випромінювання:

,

де - чутливість приймача;

Wэ - ефективне значення енергії кожного елементарного процесу перетворення фатона;

С - коефіцієнт пропорційності.

Продуктивність світлотехнічної установки кумулятивної дії можна характеризувати ефективним значенням енергії процесу за час дії установки від t1 до t2:

,

де g () -- спектральна функція чутливості приймача;

- миттєве значення спектральної інтенсивності щільності опромінення речовини;

S -- площа світлочутливої поверхні приймача.

Відмінність спектральної чутливості кожного приймача від спектральної чутливості зразкового приймача вимагає введення поправочних коефіцієнтів актинічності: при розрахунку установки, виборі необхідної щільності опромінення та оцінці ефективності випромінювання. Усі світлотехнічні установки, що використовують видиме випромінювання будь-якого спектрального складу, будуть мати однакову ефективність, якщо дотримано рівність добутків кількості освітлення Eiti на відповідне значення актинічності випромінювання Ai:

A1E1t1= A2E2t2=…=AnEntn.

Енергетична ефективність будь-якої світлотехнічної установки визначається відношенням ефективного значення енергії установки Wэ до енергії, споживаної джерелами випромінювання всієї установки Wy, або відношенням її питомого значення wэ до питомого значення енергії джерел випромінювання, що приходиться на одиницю площі поверхні, яка опромінюється, wy. З огляду на можливість оцінки будь-якого перетворення випромінювання енергетичними співвідношеннями, а також беручи до уваги, що ці співвідношення є основними в техніко-економічній оцінці світлотехнічних установок, у наступному викладі енергетичну ефективність э будемо розглядати як загальну ефективність будь-якої світлотехнічної установки:

э= =

тут Wэ -- ефективне значення енергії процесу перетворення випромінювання;

Wy -- енергія, споживана джерелами випромінювання установки протягом усього часу її роботи;

і -- питомі значення тих же величин на одиницю площі світлочутливої поверхні приймача.

Виразивши питоме ефективне значення енергії установки ефективним значенням кількості опромінення (кількістю освітлення) і питому потужність ефективним значенням щільності опромінення (освітленістю) приймача, що відповідає умовній рівності з = 1, одержимо вираз для відносної ефективності світлотехнічної установки:

эо=

эо=

Основною фотометричною характеристикою освітлювальної установки є яркість поверхонь освітлюваних об'єктів у напрямку до приймача
(око, теле, фото або кінокамера). Для приймачів, що володіють кумулятивною дією (фото і кіноплівка), продуктивність освітлювальних установок визначається добутком яскравості об'єктів освітлення на час експозиції, що визначає кількість освітлення кожної ділянки кадру.

Продуктивність освітлювальних установок будь-якого типу при однакових якісних показниках освітлення визначається яркістю освітлюваної поверхні, називаною робочою поверхнею, у напрямку до ока спостерігача. З цього випливає, що рівень продуктивності освітлювальної установки визначається освітленістю робочої поверхні або кількістю освітлення (для приймачів кумулятивної дії) з урахуванням коефіцієнта відображення освітлюваної поверхні або її коефіцієнта яскравості:

де LP і Ер -- яскравість і освітленість робочої поверхні;

P -- коефіцієнт відображення;

L -- яскравість за напрямком поверхні, що відбиває;

r -- її коефіцієнт яскравості за напрямком (,).

Вибір необхідної яскравості (освітленості) об'єкта зйомки або телепередачі в освітлювальних установках спеціалізованого призначення визначається за заданими характеристиками чутливості приймачів і необхідними значеннями оптичної щільності фотографічного зображення.

Світлота визначає рівень зорового сприйняття його яскравості.

Яскравість освітлюваного об'єкта й освітленість сітчастої оболонки в зоні його зображення, що визначають швидкість фотодисоціації молекул фотореагента.

Діаметр зіниці ока залежить від яскравості : d = f (L). Це є однією з багатьох причин нелінійної залежності світлоти і яскравості S= f (L).

Вказані причини нелінійного зв'язку продуктивності зорового процесу і яскравості поля зору характеризуються залежністю чутливості зорового аналізатора як від рівня яскравості центральної частини поля, так і від характеристик розподілу яскравості в навколишньому просторі в часі і за спектром, що визначають якість освітлення. Ця особливість освітлювальних установок загального призначення дозволяє сформулювати наступні висновки щодо принципів їхнього нормування:

а) встановлення однозначної залежності продуктивності установки від фотометричної характеристики (яскравості або освітленості робочої поверхні) утруднено мінливістю чутливості зорового аналізатора, що змінюється у функції рівня його порушення і якісних показників освітлення;

б) оцінка ефективності освітлювальних установок загального призначення можлива лише як відносна і тільки в умовах практично однакових якісних показників освітлення.

ЛЕКЦІЯ 2. МЕТОДИ І КРИТЕРІЇ НОРМУВАННЯ ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ УСТАНОВОК

Через зоровий аналізатор людини надходить із зовнішнього світу найбільша кількість інформації.

Чутливість зорового аналізатора, як і чутливість будь-якого іншого приймача випромінювання, прийнято визначати характеристикою, зворотною граничному значенню випромінювання. У зв'язку з великою розмаїтістю зорових задач чутливість зорового аналізатора можна оцінювати відповідно до функцій зору:

а) контрастної чутливості;

б) гостроти розрізнення;

в) гостроти глибинного зору;

г) швидкості розрізнення;

д) колірної чутливості.

Усі перелічені функції зору являють собою характеристики змін величин, зворотних зоровим порогам, залежно від яскравості поля зору, на яку адаптований зоровий аналізатор.

Існують графіки функцій зору - це залежність зорових порогів від яскравості поля зору L (кд/м2). Аналіз графіків функцій зору, виконаний доц. Матвєєвим А.Б., дозволяє зробити наступні висновки:

а) усі без винятку функції зору підвищуються зі збільшенням яскравості в зв'язку зі зменшенням відносної величини зорових порогів;

б) зростання усіх функцій зору при збільшенні яскравості адаптації характеризує підвищення відносної чутливості зорового аналізатора, а отже, збільшення продуктивності освітлювальної установки;

в) функції зору нелінійні як у результаті загальних властивостей реакцій зорового аналізатора (реакція зіниці, зміна концентрації фотореагента при зміні адаптації, зміна чутливості центральної ланки зорового аналізатора та ін.), так і специфічних властивостей окремих функцій зору;

г) у першому наближенні ріст основних функцій зору пропорційний lg Lф, отже оцінку ефективності і техніко-економічних зіставлень освітлювальних установок слід робити приблизно за логарифмічною шкалою;

д) наявність специфічних властивостей зорового аналізатора приводить до різного відносного росту функцій зору при збільшенні яскравості адаптації.

Критеріями вибору нормованого значення функції зору і визначальної її яскравості робочої поверхні можуть бути:

а) гігієнічний мінімум, при якому параметри деталей зорового процесу близькі до граничних значень при максимальній вірогідності вирішення зорової задачі;

б) гігієнічний максимум, при якому практично припиняється подальший ріст ведучої функції зору;

в) заданий рівень видимості або розрізнення, обумовлений деяким запасом у порівнянні з граничними значеннями контрасту об'єкта спостереження, часу розрізнення об'єкта або його кутового розміру;

г) техніко-економічний оптимум, обумовлений мінімумом приведених витрат;

д) заданий рівень світлоти (застосовується для громадських будинків).

Вибір нормованого значення яскравості робочої поверхні необхідно робити з урахуванням їх параметрів. Основними параметрами об'єктів зорової роботи є кутовий розмір, що виявляється, або об'єкта, що розрізняється, його контраст з фоном (яркісний або колірний) і час його виявлення або розрізнення. Для зорових робіт з обмеженим часом виявлення або розрізнення вибір яскравості за контрастною чутливістю вимагає додаткового врахування розрахункового поправочного коефіцієнта, що враховує час інерції зорового аналізатора.

Об'єктом розрізнення є окрема частина розглянутого предмета (наприклад, нитка тканини, точка, лінія, подряпина, пляма і т.п.), яку потрібно знайти або розрізнити в процесі зорової роботи.

У результаті напруженої зорової роботи виникає стомлення. Для врахування цих особливостей зорової роботи X. Вестон [5] запропонував нормувати яскравість робочої поверхні за зоровою працездатністю. Зорову працездатність він визначив добутком швидкості правильного впізнання кілець Ландольта [1] із заданим напрямком розриву на імовірність правильного їхнього розрізнення.

Для приміщень громадського призначення вибір яскравості адаптації варто орієнтувати на забезпечення необхідного рівня світлоти, обумовленого в першу чергу ступенем парадності приміщення. До цих особливостей зорового аналізатора відносяться:

а) інерційність відповіді зорового аналізатора, обумовлена тимчасовими характеристиками зорового процесу;

б) залежність чутливості від рівня порушення;

в) багатокомпонентність світлосприймаючої системи ока;

г) наявність несталих (адаптаційних) процесів протягом деякого проміжку часу після зміни навантаження зорового аналізатора;

д) індуктивні зв'язки між суміжними самостійними ділянками зорового аналізатора (рецепторними полями);

е) виникнення зорового стомлення у процесі тривалої напруженої зорової роботи, що позначається на зниженні вірогідності вирішення зорових задач.

За А. В. Луїзовим [6] час зорової інерції визначається інтегралом функції загасання зорового відчуття з часом:

де v -- час зорової інерції;

A (t) -- відносна функція загасання зорового відчуття, що має максимум А0 = 1 при t = 0.

Продуктивність освітлювальної установки прийнято характеризувати яскравістю робочої поверхні. Ефективний яркісний контраст об'єкта з фоном

kэ=kt/(t+v)

де t -- час спостереження об'єкта, с;

& -- час інерції, с;

k -- яркісний контраст об'єкта з фоном.

Залежність між яскравістю і світлотою S - є нелінійною.

Якість освітлення визначається: розподілом випромінювання у просторі, в часі і за спектром, а також контрастністю системи освітлення, що визначає розподіл яскравості на поверхнях рельєфних предметів.

Наявність трьох різновидів колбочок з функціями спектральної чутливості k (ДО), з (ДО) і з (ДО), що визначають кольоровий зір, не накладає особливих умов на вибір нормованої яскравості (освітленості), за винятком вимог забезпечення достатньої кольорової чутливості зорового аналізатора у всіх випадках, коли елементом зорової задачі є визначення кольору.

Аналіз основних закономірностей роботи зорового аналізатора як приймача світлових випромінювань дозволяє сформулювати вимоги до освітлювальних установок:

1) достатня яскравість освітлюваних об'єктів, що забезпечує необхідну вірогідність їхнього виявлення;

2) відсутність різкого розходження яскравостей робочої поверхні навколишнього простору;

3) сталість освітленості робочої поверхні в часі;

4) відсутність різких і глибоких падаючих тіней на робочих поверхнях і досить контрастне освітлення рельєфних об'єктів, що забезпечують зорове сприйняття їхнього обсягу і форми;

5) відсутність у полі зору яскравих поверхонь, що світять, які володіють великою блискістю.

2.1 Врахування спектрального складу випромінювання при нормуванні

Функції спектрального розподілу щільності випромінювання () визначають не тільки світловий потік, але і значення абсолютної А і відносної а актинічностей стосовно спектральної чутливості приймача і функції спектрального розподілу еталонного випромінювання.

Функції спектрального розподілу випромінювання необхідні для обґрунтованого вибору норми освітленості в установках з приймачами. Вони мають спектральну чутливість, що відрізняється від стандартизованої функції відносної видимості однорідних випромінювань.

Урахування спектрального складу випромінювання при нормуванні особливо важливе в тих випадках, коли спектральна чутливість приймача змінюється у функції рівня його порушення (освітлювальні установки з низькими рівнями нормованої яскравості (L< 10 кд/м2), освітлювальні установки відкритих просторів, сквери і т.д.).

Відносна спектральна чутливість зорового аналізатора в умовах сутінкового зору 10 кд/м2 > L> 0,01 кд/м2 змінюється в короткохвильову частину спектра. У сутінковому діапазоні яскравостей зсув кривої спектральної чутливості зорового аналізатора призводить до потемніння червоних кольорів з одночасним просвітленням синіх (ефект Пуркіне).

Для кількісного врахування цього ефекту необхідно користуватися зіставленням еквівалентних яскравостей. Рівність яскравостей будь-якого спектрального складу забезпечує однакову світлоту порівнюваних випромінювань при однаковому значенні яскравості поля оточення.

Цю умову можна записати для будь-яких різноспектральних випромінювань bi () і bj ():

де - коефіцієнт відображення;

() - спектральні характеристики відбитого випромінювання.

Рішення проводимо методом послідовних наближень, тому що функція спектральної чутливості ока ДО (Э) залежить від величини еквівалентної яскравості Lэ. На підставі вирішення цього рівняння будуємо графіки залежності відношення LЭ/L у функції стандартної яскравості L для випромінювань з різними співвідношеннями часток променистого потоку (променистої яскравості) у червоній, зеленій і синій зонах спектра:

mк=Fк/F; mз=Fз/F; mс=Fс/F

де FK, F3 і FC -- променисті потоки в червоній, зеленій і синій частинах спектра заданого випромінювання;

mк, mз, mс - часткові коефіцієнти;

F= Fк + F3+ FC -- повний потік випромінювання.

Границя синьої і зеленої зон прийнята рівною 1 = 0,48 мкм., а зеленої і червоної 2 = 0,56 мкм.

Для випромінювань з різними значеннями mк, m3 і mс, що задовольняють обов'язковій умові mк + m3 + mс = 1, були розраховані Lэ/L для різних значень L. За результатами цього розрахунку були побудовані криві Lэ/L = f(L). Стандартна яскравість різних спектрів випромінювання, що характеризуються трьома частковими коефіцієнтами: тк, т3 і m.

Після орієнтованого визначення значення Lэ за графіком необхідно зробити розрахунок Lэ, користуючись загальним рівнянням, що визначає еквівалентну яскравість, знайдену за графіком (рис.2.1):

Lэ = 683

де K (, Lэ) -- функція відносної видимості в умовах адаптації на яскравість Lэ.

Рис.2.1

Якщо значення Lэ, отримане з (2.5), не збігається з раніше прийнятим орієнтованим значенням Lэ, знайденим за графіком, операцію розрахунку треба повторити, вибравши нові значення Lэ, і K (, Lэ).

Рис.2.2

Виникнення відчуття дискомфорту при недостатніх значеннях освітленості пояснюється перерозподілом світлоти по окремих ділянках спектра. (Може бути усунуто збільшенням яскравості тим більшим, чим нижче колірна температура випромінювання). Як показав Матвєєв А.Б. [7], для усунення ефекту Пуркіне необхідно забезпечити сталість відношення еквівалентних яскравостей різнобарвних об'єктів в умовах освітлення їхнім еталонним випромінюванням. Рівень яскравості випромінювання джерел світла при застосовувані в установці:

.

Тут b1() і LЭ1 -- спектральна інтенсивність випромінювання й еквівалентна яркість застосовуваного випромінювання;

b2() і LЭ2 -- те ж для еталонного випромінювання;

I() і j() -- спектральні характеристики відображення i-ro і j-го кольорових зразків;

K(, LЭ1) і K(, LЭ2) -- функції спектральної чутливості зорового аналізатора при адаптації на еквівалентні яскравості LЭ1 і LЭ2 зображені на рис 2.3. Оскільки спектральні характеристики відображення зразків можуть бути різними навіть для одноколірних об'єктів, зберігається умова постійності відношення яскравостей.

ЛЕКЦІЯ 3. ВИБІР НОРМОВАНОЇ ФОТОМЕТРИЧНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Продуктивність світлотехнічних установок визначається щільністю ефективного потоку по освітлюваній (що опромінюється) поверхні. У загальному випадку освітлюваний об'єкт, що опромінюється, може мати довільну поверхню рельєфу. У цьому випадку розподіл освітленості (щільності опромінення) по окремих ділянках робочої поверхні, а також по поверхнях об'єктів спостереження, по-різному орієнтованих у просторі, визначиться розподілом і величиною яскравості в усіх напрямках простору щодо досліджуваної точки поля.

Напрямок випромінювання щодо досліджуваної точки простору визначається двома кутовими координатами: кутом у меридіональній площині щодо вертикалі АТ і кутом в екваторіальній площині щодо площини меридіана, що проходить через точку простору, в якій розташоване око спостерігача (рис. 3.1, 3.2).

Рис. 3.1- Кутові координати Рис 3.2- Елементарний телесний кут

У прийнятій системі координат будь-яке випромінювання, що надходить з простору в точку А за напрямом г,в, можна характеризувати яскравістю L г,в . Кожній точці простору At відповідає нескінченно велика сукупність напрямків г i ,в I, отже кожній точціпростору відповідає нескінченно велика кількість елементарних пучків променів яскравістю L г, i вi в напрямку до досліджуваної точки Ai.

Функція розподілу яскравості в просторі L (г,в ) змінюється при переході від однієї точки простору Ai до іншої Aj і відбувається тим значніше, чим нерівномірніше розподіл яскравості в навколишньому просторі.

Оскільки нормована фотометрична характеристика повинна володіти не тільки універсальністю визначення умов освітлення, але і практичною прийнятністю, слід відмовитися від нормування L і прийняти для цілей нормування одну з інтегральних характеристик цієї функції.

Як показали А. А. Гершун, М. М. Гуревич [4,13], загальний вираз для інтегральної характеристики в досліджуваній точці світлового поля має такий вигляд:

де -- функція напрямку, що визначає цінність випромінювання в напрямку v;

-- тілесний кут, утворений двома конічними поверхнями з кутами розкриття v і v+dv (рис.3.2) і поздовжніми площинами в і в+dв.

Отже, загальний вираз інтегральної характеристики світлового поля матиме вигляд

З=

Сферична освітленість, обумовлена середньою щільністю світлового потоку на поверхні сфери, що має зникаючий малий радіус, характеризується постійним значенням f, чисельно рівним 0,25:

,

де L(v) -- середнє значення яскравості в межах елементарного тілесного кута 2рsinvdv

.

Величина середньої сферичної освітленості визначає об'ємну щільність світлової енергії в будь-якій точці Ac.

Тепер знайдемо напівсферичну освітленість:

.

Функція цінності випромінювання f (v,в) для середньої напівсферичної освітленості, обертаючись у функцію тільки кута v, визначається наступною рівністю:

f(v)=0.25(1+cosv)

Освітленість площини є також інтегральною характеристикою точки поля і напрямку, обумовленого нормаллю до площини:

Е=.

Циліндричну освітленість відповідно до загального виразу інтегральної функції можна визначити як середню щільність світлового потоку на циліндричній поверхні зникаюче малих розмірів (D і h):

Ец=2,

де v -- кут між віссю циліндричного приймача і досліджуваним напрямком.

Інтегральною характеристикою поля є також світловий вектор або вектор щільності опромінення

,

де -- одиничний вектор напрямку випромінювання в досліджувану точку поля з точки з координатами v і в.

Для наближеної характеристики структури світлового поля прийнято користуватися відношенням різних інтегральних характеристик у досліджуваній точці поля, наприклад відношеннями й ін., або градієнтом якої-небудь з інтегральних характеристик grad Ј4р, gradЈN або grad Ј2я та ін.

Глибину тіні прийнято визначати відношенням величин освітленості в незатіненій і затемненій ділянках освітлюваної поверхні.

Різкість тіні характеризують градієнтом зміни яскравості ДL/lД (кд/м2)*см у зоні переходу від затемненої ділянки поверхні до незатіненої. З огляду на кореляцію між наведеними відношеннями інтегральних характеристик поля і його тінеутворюючими властивостями можна ці відношення і градієнти використовувати для оцінки контрастності освітлення.

Точність зорової роботи визначається мінімальними кутовими розмірами об'єктів розрізнення та їх яскравісними контрастами з фоном. Унаслідок залежності видимості й розрізнення об'єктів спостереження від яркості робочої поверхні при виборі нормованого значення освітленості необхідно враховувати коефіцієнт відображення або коефіцієнт яскравості робочої поверхні.

ЛЕКЦІЯ 4. НОРМУВАННЯ ЗА ВИДИМІСТЮ

Якщо тест-об'єкт рівнояскравий, ступінь його помітності на рівнояскравому фоні можна визначити яркісним контрастом k, чисельно рівним відношенню різниці яскравості об'єкта і фону до яскравості тіла:

Шайкевичем А.С. [8,9] розроблені нонограми, що дозволяють визначати швидкість розрізнення кільця Ландольта у функції яскравості фона, кутового розміру розриву кільця, контрасту й імовірності розрізнення. Контраст об'єкта з фоном, що забезпечує задану імовірність виявлення об'єкта, обумовлений його параметрами (кутовий розмір і форма), кількісною характеристикою освітлення (яскравість фона) і умовами зорової роботи (час спостереження), прийнято називати граничним контрастом:

knop= = f(a, Lф, t, р),

де а -- кутовий розмір об'єкта, хв;

Lпор -- гранична різниця яскравостей, Lф -- яскравість фону; t -- час спостереження, с.;

р -- імовірність зорового виявлення або упізнання форми об'єкта.

Зоровий поріг визначається граничними величинами кожного з трьох параметрів (a, k і t) для заданої імовірності і яскравості фону (р і Lф).

За результатами дослідження Р. Блекуелла [10] залежність між граничним яркісним контрастом й імовірністю виявлення об'єкта спостереження найпростішої форми (світлий диск на темному фоні) можна виразити рівністю

Кпор(p) = (Кпор)0,5f(p),

де f (р) = 1 + бг -- функція імовірності виявлення об'єкта спостереження;

Kпор (р) -- граничний контраст, що забезпечує задану імовірність виявлення р;

(Кпор)0,5 -- граничний контраст, що забезпечує імовірність р = 0,5;

б -- постійний коефіцієнт (б = 0,68 для виявлення при необмеженому часі спостереження і р = 0,5 для t = 0,1 сек);г -- середнє квадратичне відхилення граничного яскравісного контрасту від середнього значення для р = 0,5.

Значення функцій f (р) і г (р) за даними Блекуелла:

Криві залежності граничного контрасту виявлення тест-об'єкта у вигляді диска на фоні рівномірної яскравості з імовірністю р = 0,5 від яскравості фона для різних кутових розмірів диска. Аналіз кривих на рис.4.1 knop = f(lg LФ) дозволяє зробити наступні висновки:

а) граничний контраст виявлення тест-об'єкта (рівнояркісний диск на фоні рівномірної яскравості) залежить від кутового розміру об'єкта, яскравості фону й імовірності виявлення;

б) граничний контраст тест-об'єкта при заданій імовірності виявлення зменшується зі збільшенням кутового розміру об'єкта і яскравості фону;

в) кожному кутовому розміру тест-об'єкта відповідає деяка мінімальна величина граничного контрасту Кпор = оа, при меншому значенні якого об'єкт не може бути виявлений при будь-якому якому завгодно великому значенні яскравості фону;

г) яскравість фону Lф = Lопт, починаючи з якої граничний контраст тест-об'єкта залишається практично постійним, прийнято називати оптимальною яскравістю, що забезпечує найбільшу видимість тест-об'єкта із заданим кутовим розміром;

д) нормовані значення яскравості (освітленості), що забезпечують задану вірогідність виявлення, впізнання або розрізнення тест-об'єкта, повинні бути тим більшими, чим менше його кутовий розмір і контраст із фоном.

Експериментальні залежності lg Кпор = f (lg Lф), наведені на рис. 4.2, з достатньою для практики точністю можна апроксимувати відрізками прямих із загальним рівнянням

;

,

де б - параметр, що визначає кут нахилу відрізка прямої;

lg Kпор= f(lgLф) для Lф=0.

Розрахункові значення граничних контрастів для об'єктів спостереження з кутовими розмірами 0,5 - 100 наведені на рис 4.3.



ЛЕКЦІЯ 5. ВИДИМІСТЬ І РОЗРІЗНЕННЯ

Видимість є відношенням контрасту об'єкта спостереження з фоном (у загальному випадку яркісного або колірного) до граничного значення контрасту. У тих випадках, коли об'єкт спостереження одного кольору з фоном, видимість визначається відношенням яркісних контрастів, фактичного або еквівалентного, до граничного. Еквівалентним контрастом об'єкта розрізнення складної форми або рельєфного об'єкта прийнято вважати контраст плоского рівнояркого диска, видимість якого в інтервалі яскравостей від Li до Lj змінюється однаково з видимістю досліджуваного об'єкта.

Для максимального наближення значення видимості до кількісного виразу зорового процесу слід вибирати масштаб кількісного виразу видимості логарифмічним. Видимість об'єкта спостереження одноколірного з фоном v при цьому слід оцінювати логарифмом відношення десятикратного значення фактичного яскравісного контраста об'єкта з фоном до його практичного граничного значення Кпор:

,

де С -- коефіцієнт запасу (за Блекуеллом С = 1,8 - 2).

У деяких випадках зорове завдання полягає не тільки у виявленні об'єкта спостереження, але також і в розрізненні його форми. Кількісну характеристику цього різновиду зорових завдань прийнято називати розрізненням.

При зіставленні умов освітлення, а також при виборі рівня яскравості або освітленості робочої поверхні, прийнято керуватися методом оцінки видимості, з огляду на коефіцієнт Вапаса з підвищенням труднощів зорового завдання, що залежить не тільки від невизначеності місця появи об'єктів, а й в не меншій мірі від форми об'єкта розрізнення.

Граничне максимальне значення видимості об'єкта із заданим кутовим розміром vмакс визначається відношенням, фактичного яскравісного контрасту до гранично мінімальному його граничного значення оа:

.

У загальному випадку для заданого значення імовірності р виявлення об'єкта спостереження видимість визначається як

;

.

(граничне максимальне значення видимості).

Відносна видимість

.

Відносне значення граничного контрасту Кпор/, необхідного для забезпечення заданого рівня відносної видимості:

,

де Кпор і - порогові значення контрасту для ймовірності виявлення р=0,5.

С - коефіцієнт запасу, що встановлює практичне значення граничного контрасту.

ЛЕКЦІЯ 6. РОЗРАХУНОК ЦИЛІНДРИЧНОЇ ОСВІТЛЕНОСТІ

Підвищення вимог до якості освітлення привело до регламентації у приміщеннях циліндричної освітленості, що є характеристикою відчуття насиченості приміщення світлом.

Циліндрична освітленість, як і освітленість плоскої поверхні, може розглядатися у вигляді суми двох складових -- прямої (Ец)пр і відбитої (Ец)0:

.

Розглянемо способи розрахунку прямої складової циліндричної освітленості, запропоновані М. М. Гуторовим [3] для різних груп елементів, що світять.

Точкові елементи, що світять

Відповідно до визначення циліндричної освітленості як середньої щільності світлового потоку на бічній поверхні вертикально розташованого циліндра, розміри якого D і hц прагнуть до нуля, математичний вираз для Ец (6.2):

.

де F-- світловий потік, що падає на бічну поверхню циліндра;

Виразивши світловий потік, що падає на бічну поверхню циліндра, через вертикальну освітленість Eв і площу проекції бічної поверхні циліндра Dhц (рис.6.1), рівняння (2) запишемо так:

;

.

Для п точкових випромінювачів

.

Введемо поняття відносної циліндричної освітленості ц, що відповідає значенню Ец при h = 1 м

.

За (6.5) будуються графіки відносної циліндричної освітленості для заданого світлорозподілу світильника, зображені на рис 6.2.

Циліндричну освітленість від сукупності п точкових випромінювачів, користуючись поняттям відносної циліндричної освітленості, можна знайти з рівняння



де Iо -- осьова сила світла світильника;

Fл -- світловий потік ламп у світильнику.

Лінійні елементи, що світять

Розглянемо лінію, що світить, вісь якої перпендикулярна до утворюючого циліндра (рис.6.3).

Виділимо елементарну ділянку лінії, що світить, довжиною d. Циліндрична освітленість, створювана ділянкою d у точці А розрахункової площини, визначиться як

Для світної лінії з косинусним світлорозподілом у поздовжній площині:

Підставивши (6.8) і (6.9) у вираз для циліндричної освітленості, створюваної елементом d (6.7), одержимо:

Циліндрична освітленість від усієї лінії визначиться інтегруванням (6.10) за довжиною лінії:

Після інтегрування одержимо:

Спростимо. Вираз у дужках є функцією двох змінних кутів і L . Тоді

Для спрощення розрахунку будуються графіки. На осі ординат графіка відкладені значення функції , на осі абсцис - значення відносної довжини лінії, що світить, L/l; криві графіка відповідають постійним значенням кута.

ЛЕКЦІЯ 7. РІВНОЯСКРАВІ ПОВЕРХНІ

Розглянемо рівнояскравий диск, площина якого перпендикулярна до утворюючій циліндра.

Виділимо на поверхні диска пасок шириною d. Циліндрична освітленість, створювана таким паском яскравістю L у розрахунковій точці:

де d = 2sind-- елементарний тілесний кут з вершиною в розрахунковій точці.

Циліндрична освітленість від усього диска яскравістю L визначиться інтегруванням у межах від = 0 до = Д:

,

Проінтегрувавши (7.2) , одержимо:

.

Вираз (7.3) дає можливість розрахувати циліндричну освітленість від рівнояскравого диска в точці, що розташована під центром диска. Цей окремий випадок може бути використаний і для вирішення більш загальних задач -- визначення циліндричної освітленості від рівнояскравих прямокутників у заданій точці.

Для цього будують відповідні сітки і накладають на план приміщення, підраховують число елементів сітки, що захоплюються контуром світної поверхні, N (рис.7.2 та рис.7.3).

Циліндрична освітленість від рівнояскравої поверхні визначиться як добуток яскравості поверхні, що світить, на число елементів сітки, захоплюваних контуром поверхні, що світить, і ціну кожного елемента сітки АС:

де - ціна розподілу,

n1 - число кілець сітки;

n2 - зсув радіальних променів.

Точність розглянутого графо-аналітичного методу визначення циліндричної освітленості від рівнояскравої поверхні залежить від кількості елементів, на які було розбито розрахункову сітку. Розроблені таблиці значень циліндричної освітленості від прямокутника, площина якого перпендикулярна до осі циліндра.

Відбита складової циліндричної освітленості

Відбита складової циліндричної освітленості в розрахунковій точці може розглядатися як сума двох доданків: циліндричної освітленості, що створюється стелею і ділянками стін, розташованими вище горизонтальної площини, яка проходить через розрахункову точку (Eц), і циліндричної освітленості, що створюється підлогою та ділянками стін, розташованими нижче цієї площини, (Eц):