Основні світлотехнічні характеристики. Основні світлотехнічні поняття: світловий потік, освітленість та яскравість
Правильно спроектоване та раціонально виконане освітлення виробничих приміщеньнадає позитивний психофізіологічний вплив на працюючих, сприяє підвищенню ефективності та безпеки праці, знижує втому та травматизм, зберігає високу працездатність.
Відчуття зору відбувається під впливом видимого випромінювання (світла), яке є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі 0,38...0,76 мкм. Чутливість зору максимальна до електромагнітного випромінювання із довжиною хвилі 0,555 мкм (жовто-зелений колір) і зменшується до меж видимого спектру.
Висвітлення характеризується кількісними та якісними показниками. До кількісних показників відносяться:
- світловий потік Ф - частина променистого потоку, яка сприймається людиною як світло; характеризує потужність світлового випромінювання, що вимірюється в люменах (лм);
- сила світла J – просторова щільність світлового потоку; визначається як відношення світлового потоку dФ, що виходить від джерела і рівномірно поширюється всередині елементарного тілесного кута dΩ до величини цього кута; J=dФ/dΩ; вимірюється у канделах (кд);
- освітленість Е-поверхнева густина світлового потоку; визначається як відношення світлового потоку dФ, рівномірно падаючого на поверхню, що освітлюється dS (м 2), до її площі: Е= dФ/dS , вимірюється в люксах (лк);
- яскравість L поверхні під кутом ? L = dJ α /(dScosa), вимірюється в кд · м 2 .
Для якісної оцінки умов зорової роботи використовують такі показники як тло, контраст об'єкта з тлом, коефіцієнт пульсації освітленості, показник освітленості, спектральний склад світла.
- Фон
- це поверхня, де відбувається розрізнення об'єкта. Фон характеризується здатністю поверхні відбивати світловий потік, що падає на неї. Ця здатність (коефіцієнт відбиття р) визначається як відношення відбитого від поверхні світлового потоку Ф отр до падаючого на неї світловому потоку Ф пад; р = Ф від / Ф пм.
Залежно від кольору та фактури поверхні значення коефіцієнта відображення знаходяться в межах 0,02...0,95; при р> 0,4 тло вважається світлим; при р = 0,2 ... 0,4 - середнім і при р - Контраст об'єкт з фоном k - ступінь розрізнення об'єкта і фону-характеризується співвідношенням яскравостей об'єкта, що розглядається (точки, лінії, знака, плями, тріщини, ризики або інших елементів) і фону; k = (L ор -L о)/L ор вважається великим, якщо k > 0,5 (об'єкт різко виділяється на фоні), середнім при k = 0,2...0,5 (об'єкт і фон помітно відрізняються за яскравістю ) і малим при k
- Коефіцієнт пульсації освітленості k E
- це критерій глибини коливань освітленості внаслідок зміни у часі світлового потоку
k E = 100(Е max -Е min)/(2Е cp),
де Е min, Е max, Е ср-мінімальне, максимальне та середнє значення освітленості за період коливань; для газорозрядних ламп KE = 25...65%, для звичайних ламп розжарювання k E = 7%, для галогенних ламп розжарювання k E = 1%.
- Показник засліплення Р о
- критерій оцінки сліпучої дії, що створюється освітлювальною установкою,
P o =1000(V 1 /V 2 -1),
де V1 і V2 - видимість об'єкта розрізнення відповідно при екрануванні та наявності яскравих джерел світла в полі зору.
Екранування джерел світла здійснюється за допомогою щитків, козирків тощо.
- Видимість V характеризує здатність ока сприймати об'єкт. Вона залежить від освітленості, розміру об'єкта, його яскравості, контрасту об'єкта з тлом, тривалості експозиції. Видимість визначається кількістю порогових контрастів у контрасті об'єкта із тлом, тобто. V = k/k пір, де k пір -пороговий або найменший помітний оком контраст, при невеликому зменшенні якого об'єкт стає невиразним на цьому тлі.
Світло, що падає на поверхню планети Земля від Сонця, є джерелом життя для всіх її живих організмів. Сонячні промені, поширюючись зі швидкістю 300000 км/год., мають такі впливи на довкілля:
- участь у фотосинтезі;
- видиме світло;
- тепло;
- знезараження;
- опромінення.
Тому природне світло - це промениста енергія у вигляді електромагнітних хвиль, що володіють різними властивостями в залежності від їх загального показника, Яким є довжина. Довжина випромінювань вимірюється в нанометрах (0,000000001 м) і варіюється для інфрачервоних хвиль від 700 до 10000 нм, видимих людському оку 400-750 нм, ультрафіолетових - 10-370 нм. та рентгенівських 0,00001-10 нм.
Для людського ока найбільш оптимальною вважається довжина видимих електромагнітних коливань від 500 до 600 нм.
З розвитком науки та техніки людство навчилося створювати штучні джерела всіх різновидів електромагнітних хвиль, що використовуються у різних галузях промисловості та сільського господарства та інших сферах діяльності. Розглянемо основні світлотехнічні поняття, що розкривають усі характеристики джерел світла.
Що таке світловий потік?
Світловий потік- Це потужність видимого випромінювання джерела електромагнітних хвиль, яке відчуває людське око. Позначається літерою Ф та вимірюється в люменах (лм).
Потік променів світла, віддаляючись джерела, у просторі поширюється нерівномірно, втрачаючи свою щільність. Цю просторову променисту густину світлового потоку характеризує таке поняття як сила світла I(вимірюється в канделах – кд.), що визначається відношення світлового потоку Ф до тілесного кута ω.
I=Ф/ω.
Щоб розібратися, як ці величини взаємопов'язані одна з одною, звернемося до малюнка.
Якщо взяти точкове джерело світла 0, яке світитиме у просторі, то перебуватиме всередині освітленої кулі. Тепер уявімо, що світловий потік Ф буде поширюватися на обрану ділянку сфери площею S, в результаті утвориться конус, стороною якого буде радіус кулі. Цей просторовий кут, що є вершиною конуса, є тілесним і визначається, як відношення площі S до квадрату радіусу сфери.
Одиницею тілесного кута є стерадіан (СР), який утворює на поверхні кулі, що світиться, площу, рівну за значенням квадрату його радіусу.
Освітленість.
Освітленістьхарактеризує те, як кількісно змінюється щільність світлового потоку джерела світла у просторі, промені якого падають будь-які поверхні, видалені різні відстані від місця випромінювання. Визначається ставленням світлового потоку Ф до поверхні, що освітлюється S:
Знову звернемося до малюнка!
Отже, візьмемо також точкове джерело світла А, сила світла I αсвітлового потоку якого направлена на ділянку площею S будь-якої поверхні. Відстань між джерелом світла А та площею дорівнює l. У результаті утворюється конус з нахилом, з кутом між напрямком сили світла I αі стороною конуса та просторовим кутом ω. Тоді:
ω=S*cosα/l 2 і обчислюємо Ф= I α*S*cosα/l 2 .
Визначаємо освітленість елемента за таким виразом:
Е= I α*cosα/l 2 .
Отже, освітленість визначається силою світла відстанню до освітлюваної поверхні, тобто. що далі предмет від джерела видимого випромінювання, тим менше на нього потрапляє світла!
Одиниця освітленості називається люксом і позначається як (лк).
Яскравість.
При попаданні світлового потоку поверхню будь-якого предмета, він частково поглинається, іншу його частина відбивається, створюючи зорове сприйняття цього предмета з відривом. Якщо два освітлені об'єкти темного і світлого кольору розмістити на тому самому відстані від людського ока, то краще буде видно світлий об'єкт, тобто він краще відображає світловий потік джерела світла. Для порівняння, де буде світлішим, у кімнаті зі світло-зеленими або темно-коричневими шпалерами при однаковій освітленості? Звичайно ж, у кімнаті із світло-зеленим покриттям стін.
Таким чином, під яскравістюосвітлюваної поверхні розуміють ту кількість відбитої сили світла щодо ока спостерігача, яке залежатиме від забарвлення і властивостей цієї поверхні.
Яскравість позначається буквою L і дорівнює відношенню сили світла до площі проекції поверхні, що освітлюється:
Як видно з формули, яскравість вимірюється в канделі на один квадратний метр (кд/м2).
Дана формула справедлива в тому випадку, якщо око спостерігача знаходиться під кутом 90 градусів до поверхні, що відбиває, так як тоді кут між падаючим і відбиваючим кутом складе 0 градусів, а cos0=1!
Якщо поверхня, що освітлюється, буде розглядатися людським оком під деяким кутом а, то він побачить площу проекції цієї поверхні на площину, що знаходиться під кутом 90° у напрямку до спостерігача, тоді яскравість буде дорівнює:
Також термін яскравість використовується і для джерел світла, що мають випромінюючі поверхні різних форм. Так, наприклад, якщо взяти лампу розжарювання з колбою у формі кулі, то проекція випромінювання у просторі буде у вигляді кола з площею D2/4. Для циліндричних ламп (газорозрядні) проекція є безліч прямокутників, які обчислюються як добуток довжини і ширини, а в даному випадку множення діаметра колби на її довжину.
Енергетичні величини вичерпні з енергетичної точки зору, але вони не дозволяють кількісно оцінити візуальне сприйняття випромінювання. Сприйняття оком випромінювання видимого діапазону визначається як потужністю сприйманого випромінювання, але й залежить з його спектрального складу (оскільки око - селективний приймач випромінювання). Світлові властивості описують, як енергію випромінювання сприймає зорова система ока з урахуванням спектрального складу світла.
2.2.1. Світлові величини
Світлові величинипозначаються аналогічно до енергетичних величин, але без індексу.
У світлових величин немає ніякої спектральної щільності, оскільки око неспроможна провести спектральний аналіз.
Сила світла:Якщо енергетичних величинах вихідна одиниця - це енергія, то світлових величинах вихідна одиниця - це сила світла (так склалося історично). Сила світла визначається аналогічно енергетичній силі світла:
| (2.2.1) |
Сила випромінювання еталона (еталонний випромінювач або чорне тіло) при температурі затвердіння платини площею .
Абсолютно чорне тіло- це тіло, яке повністю поглинає енергію, що падає на нього. Модель абсолютно чорного тіла є порожнистим тілом, внутрішня поверхня якого пофарбована в чорний колір. Через невеликий отвір потік випромінювання надходить усередину тіла, де внаслідок багаторазового відображення повністю поглинається (рис.2.2.1).Рис.2.2.1. Абсолютно темне тіло. Потік випромінювання:
Це потік, який випромінюється джерелом із силою світла в тілесному куті:
.
Освітленість такої поверхні, на кожен квадратний метр якої рівномірно падає потік .
Світність:За одиницю світності приймають світність такої поверхні, яка випромінює світловий потік, рівний .
Яскравість:За одиницю яскравості прийнято яскравість такої плоскої поверхні, яка в перпендикулярному напрямку випромінює силу світла з .
2.2.2. Зв'язок світлових та енергетичних величин
Зв'язок світлових та енергетичних величин зв'язок встановлюється через зорове сприйняття, яке добре вивчене експериментально. Функція видимості- Це відносна спектральна крива ефективності монохроматичного випромінювання. Вона показує, як очі сприймає випромінювання різного спектрального складу. - величина, обернено пропорційна монохроматичним потужностям, що дає однакове зорове відчуття, причому вплив потоку випромінювання з довжиною хвилі умовно приймається за одиницю. Функція видимості ока максимальна у сфері жовто-зеленого кольору (550-570 нм) і спадає до нуля для червоних і фіолетових променів (рис.2.2.2).
Рис.2.2.2. Функція видимості ока.
Визначити деяку світлову величину (потік, сила світла, яскравість тощо), за спектральною щільністю відповідної їй енергетичної величини можна за загальною формулою:
| (2.2.4) |
де - функція видимості ока, 680 - експериментально встановлений коефіцієнт (потік випромінювання потужністю із довжиною хвилі відповідає світловому потоку).
Наприклад, сила світла:
(2.2.5)
яскравість:
(2.2.6)
| сила світла | ||
| яскравість | ||
| освітленість |
Зіставлення енергетичних та світлових одиниць:
| Енергетичні | Світлові | ||
| Найменування та позначення | Одиниці виміру | Найменування та позначення | Одиниці виміру |
| потік випромінювання | світловий потік | ||
| енергетична сила світла | сила світла | ||
| енергетична освітленість | освітленість | ||
| енергетична світність | світність | ||
| енергетична яскравість | яскравість | ||
2.2.3. Практичні світлові величини та їх приклади
Світлова експозиція
Світлова експозиція- це величина енергії, що припадає на одиницю площі за деякий час (освітленість, накопичена за час від до):
| (2.2.7) |
Якщо освітленість стала, то експозиція визначається виразом:
Блиск
Для протяжного джерела характеристика, яка сприймається оком – яскравість. Для точкового джерела характеристика, що сприймається оком - блиск (чим більше блиск, тим більше здається яскравість). Блиск - це величина, що застосовується при візуальному спостереженні точкового джерела світла.
Блиск- це освітленість, створювана точковим джерелом у площині зіниці спостерігача, .Видимий блиск небесних тіл оцінюється в зіркових величин. Шкала зоряних величин встановлюється таким експериментальним співвідношенням:
Чим менша зіркова величина, тим більше блиск. Наприклад:
- освітленість робочого місця,
- освітленість від повного місяця,
- поріг блиску (приблизно восьма зіркова величина).
