Зависимость разрешающего угла глаза α от яркости объекта

4.3. Фотометрия. Основные величины, их взаимосвязь, единицы.

Лучистый поток энергии называется световым потоком и обозначается «Ф». Характеризует эта величина мощность световой энергии и измеряется в люменах (лм). Один люмен – световой поток, излучаемый внутрь телесного угла в 1 стерадиан точечным источником света силой в одну канделу.

Используемые на практике источники света распределяют излучаемый поток в пространстве неравномерно, поэтому для оценки светового потока в каком-либо направлении вводят понятие силы света «I», которая вычисляется по формуле I = Ф/Ω, где

Ф – световой поток; Ω – пространственный угол в стерадианах.

Величина телесного угла определяется по формуле

Ω = S/r², где

S – площадь, вырезаемая телесным углом на поверхности сферы, описанной из его вершины, радиусом r (площадь берут в м² , радиус в м).

Единицей силы света является 1 кандела (кд) – сила света, излучаемого в перпендикулярном направлении с 1/60000 м² поверхности абсолютно - чёрного тела. Распределение светового потока в пространстве характеризуют графиком распределения силы света в полярных координатах: концы векторов, соответствующих значениям силы света по разным направлениям, соединяют и получают замкнутую поверхность, внутренняя часть которой называется фотометрическим телом силы света (у большинства источников это тело симметрично относительно некоторой оси).

Следующей важной величиной в оценке световой энергии является яркость. Различают яркость свечения источника света и яркость освещаемых им поверхностей. Яркость – световая величина, непосредственно воспринимаемая глазом, она представляет собой поверхностную плотность силы света в заданном направлении. Яркость «L» определяется отношением силы света к площади проекции светящей поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению. Различают:

1. яркость в точке М поверхности источника в направлении светового луча

L = I/A cosθ, где

А – площадь элемента светящей поверхности, содержащего точку М, а θ – угол между нормалью к поверхности и выбранным направлением.

2. яркость в точке М поверхности приёмника энергии L = E/Ω, где

Е – освещенность поверхности, Ω – телесный угол, в котором заключён световой поток, создающий эту освещённость (освещаемая площадка берётся перпендикулярной потоку). Единица яркости кд/м².

В общем случае яркость светящей поверхности различна по разным направлениям, т.е., также как и сила света, характеризуется величиной и направлением. Приведём яркости некоторых светящих поверхностей:

Рис.9. Схема к определению освещенности от точечного источника

света (ТИС)

Рис. 10 Оценка расстояния и размеров пространства через характерные особенности восприятия лица и фигуры человека.

Между яркостью и освещенностью поверхности, равномерно рассеивающий падающий на неё свет существует взаимосвязь

L = Eρ /π, где

Ρ –коэффициент отражения, Е – освещенность поверхности, представляющая плотность светового потока Ф, падающего на площадку площадью А, т.е.

Е = Ф/А

Единица освещённости – люкс (лк) – освещенность, создаваемая световым потоком в 1 лм, равномерно распределённым по площадке в 1 м².

Об освещённости в 1 лк можно судить по следующим примерам.

1. При полнолунии горизонтальная поверхность имеет освещённость 0, 2 лк;

2. Максимальная освещённость на середине проезжей части улиц посередине между фонарями – от 0, 5 до 1 лк.

Освещённость можно рассчитать по формуле Е_м = Icosα /d², где

d – расстояние от источника до исследуемой точки,

α – угол между нормалью к поверхности и направлением падающего луча.

При падении светового потока на предмет часть его отражается Ф_ρ , часть проходит - Ф_τ и часть поглощается телом - Ф_α . По закону сохранения энергии

Ф = Ф_ρ + Ф_τ + Ф_α , где

ρ = Ф_ρ /Ф – коэффициент отражения; τ = Ф_τ /Ф – коэффициент пропускания;

α = Ф_α /Ф – коэффициент поглощения.

ρ + τ + α = 1.

Для некоторых строительных материалов усреднённые значения коэффициентов приводятся в таблице 10.

Таблица 10

Значения коэффициентов ρ, τ и α

4.4. Естественный и искусственный свет. Совмещённое освещение.

Естественным светом принято считать световую энергию, приносимую на поверхность Земли от Солнца; искусственным светом принято считать световую энергию, получаемую от приборов, созданных человеком, и работающих на основе разных физических явлений. Одновременное использование световой энергии от Солнца и приборов называют совмещённым освещением.

Естественное освещение в сравнении с искусственным изменяется в течение года, сезона, дня, наличия облачности, загазованности и запылённости воздуха. Оно изменяется как по уровню освещённости, так и по спектральному составу.

Освещение – искусственное и естественное должно одновременно выполнять экологическую, эстетическую и экономическую функции, экологически оно должно быть комфортным для зрения, т.е. обеспечивать благоприятную видимость и восприятие форм, пространства и объектов.

Обеспечение светового комфорта достигается за счёт рационально выбранных количественных и качественных характеристик освещения (контролируется нормами освещения).

Эстетика определяется дизайном осветительных систем и установок, а также гармоничностью сочетания светлых и цветовых соотношений.

При решении задач экологических и эстетических решающую роль играет экономическая целесообразность реализации проекта с учётом будущих эксплуатационных расходов.

При разработке проекта выделяется два этапа:

На первом выбирают необходимые освещенности с учётом зрительной работы, обеспечивают направленность, неравномерность и контрастность, способствующие наилучшей видимости объектов. Определяют необходимый спектральный состав освещения для правильной цветопередачи и создания эмоционального настроя. Добиваются ограничения ослеплённости и дискомфорта при попадании прямых лучей в глаза и, наконец, выбирают расположение световых проемов и осветительных - приборов, а также подбирают отделочные материалы, обеспечивающие комфорт.

На втором этапе работают над созданием архитектурного светового образа с учётом назначения помещения: в зрительных залах должно возникать впечатление праздничности и торжественности, в музеях и картинных галереях - отрешённости от внешнего мира и сосредоточенности, в производственных помещениях - иллюзию естественности световой среды.

Современное решение этих проблем достигается сочетанием искусственного и естественного света, применением новейших материалов и конструкций, разработкой оригинальных оптических систем, новых архитектурных форм. При этом важную роль играют коэффициенты яркости r_α и естественного освещения – КЕО – «е_м».

Коэффициент яркости характеризует распределение световых потоков, отражённых какой - либо поверхностью или прошедших прозрачную преграду (этих потоков три вида – отраженный диффузно, отражённый от зеркальных поверхностей, направленно - рассеянный из сочетания первых двух). Распределение яркости по разным направлениям и характеризует коэффициент яркости r_α = L_α /L₀ , где

L_α – яркость поверхности под углом α к перпендикуляру на эту поверхность;

L₀ – яркость идеально рассеивающей поверхности с коэффициентом отражения равным 1.

Коэффициент естественной освещённости (КЕО) е_М = 100Е_М/Е_н %

представляет отношение естественной освещённости в исследуемой точке М на рабочей поверхности тела в помещении к одновременному значению наружной горизонтальной освещённости под открытым небом.

В помещении распределение естественной освещённости характеризуют показателем неравномерности освещения, определяемой отношением коэффициента КЕО – минимального к среднему или максимальному.

Естественное освещение в помещении может быть: боковое (одно, двух, трёхстороннее и круговое), верхнее (за счёт фонарей, световых шахт, полностью прозрачными потолками) и комбинированное.

Каждая из этих систем может быть дополнена искусственным освещением (совмещённое освещение).

Относительная световая активность окон, имеющих одинаковую площадь, при различном расположении по высоте помещения:

Верхнее – КЕО = 125%; среднее – 100%; нижнее -55%.

Рис. 11 Системы естественного освещения помещений и нормируемые значения КЕО

а - боковое освещение, одностороннее (слева) и двустороннее (справа); е^Н ≤ е_мин;

б - верхнее освещение, П - образный, зенитный (слева) и шедовый (справа) фонари;

в - комбинированное (боковое плюс верхнее) освещение; е^Н ≤ е_ср (б, в).

Рис. 12 Классификация приемов бокового освещения через окна (а) и типы окон (б)

1, 2 - большая и средняя неравномерность освещения;

3 - равномерное освещение (показано кривой КЕО)

Рис 13 Кривые КЕО совмещенного освещения при использовании светящей панели, расположенной в удаленной зоне потолка (а) и светящей ниши в стене против окна (б)

1 - естественное освещение; 2 - искусственное освещение; 3 - совмещенное освещение.

Относительная световая активность фонарей при одинаковой площади светопроемов приведена в таблице 11:

Таблица 11