Светотехнические параметры
Свет, улавливаемый человеческим глазом – это не что иное, как электромагнитное излучение, длина волны которого колеблется в пределах от 400 до 780 нм. Импульсы с параметрами, не входящими в эти границы, нашим зрением уже не воспринимается – это ультрафиолетовое ( ниже 400 нм) и инфракрасное ( выше 780 нм) излучение. Отрасль светотехники изучает количественные и качественные параметры, характеризующие специфические признаки всех излучающих свет приборов.
Основные количественные показатели осветительных устройств – это освещенность, яркость, сила света и световой поток. Для любых расчетов в светотехнике необходимо владеть некой базовой информацией, которая включает:
- Габариты помещения – ширину, длину, высоту;
- Коэффициенты отражения пола, стен и потолка;
- Расстояние между осветительным прибором и рабочей поверхностью;
- Коэффициент использования светильников;
- Тип и мощность применяемых ламп;
- Показатель требуемого уровня освещенности.
Оперируя исходными данными и дополнительной информацией, можно рассчитать цифровые значения каждого из четырех светотехнических параметров.
Освещенность
Эта физическая величина характеризует освещение поверхности, которое создается падающим на нее световым потоком. Освещенность рассчитывается в люксах (1 люкс – это 1 люмен на кв. метр поверхности) и находится в прямо пропорциональной зависимости от силы света осветительного прибора. Удаление светильника от освещаемой поверхности уменьшает освещенность в обратной пропорции к квадрату расстояния. А при наклонном падении лучей на поверхность уменьшение освещенности находится в зависимости от косинуса угла падения лучей.
Освещенность в светотехнике обозначается Е и рассчитывается по формуле:
В случаях, когда для проекта требуется составить точный план построения света, рассчитать освещенность помещений и найти необходимое количество светильников можно, воспользовавшись формулой:
Яркость
Этот параметр, который обозначается знаком L, характеризует яркость ламп и вычисляется в канделах на кв. метр. Это один из главных факторов, участвующих в световом восприятии человеческого глаза. L – это яркость поверхности, излучающей силу света в 1 канделу с поверхности в 1 кв. метр в перпендикулярном направлении.
Именно яркость определяет интенсивность ощущения от того или иного источника света. Грамотное распределение яркости зависит от расположения светильников и отражающих свойств различных поверхностей в помещении. И хоть наши глаза способны адаптироваться к перепадам яркости, резкие скачки вызывают ощутимое утомление.
Световой поток
Этот параметр, обозначаемый символом F ( или Ф) и измеряемый в люменах, характеризует мощность излучения осветительного прибора и представляет собой количественный показатель той энергии, которую излучают источники освещения в телесном углу и которая протекает за принятую единицу времени по принятой единице площади.
В отличие от мощности излучения, измеряемой в ваттах, световой поток оценивается исключительно человеческим зрением и зависит от графика чувствительности глаза к различным длинам волн различимого света. Поскольку человеческий глаз обладает неодинаковой чувствительностью к различным длинам волн, имеющим разный цвет, то излучение равной мощности воспринимается им по-разному, в зависимости от цвета длины волны.
Сила света
Силой света называют пространственную плотность светового потока и рассчитывают как отношение исходящего от источника света потока к величине телесного угла, внутри которого он распространяется. Этот параметр обозначается символом I и измеряется в канделах.
Как следует из формулы, сила света неразрывно связана со световым потоком и выражает его отношение к величине телесного угла. Количественные показатели силы света позволяют судить о преимуществах и недостатках тех или иных осветительных приборов и потому имеют большую ценность. Для измерения этой величины используют специальные приборы – фотометры, показания которых, к сожалению, не отличаются высокой точностью. И дело не столько в устройстве, сколько в индивидуальных особенностях человеческого глаза, который и является главным инструментом фотометрии – науки, изучающей силу света.
«Локус Лайт» – российская компания, предлагающая полный спектр услуг в сфере проектирования освещения, поставки оборудования и установки архитектурного, промышленного и садово-паркового освещения на объектах Москвы и других регионов России. Интернет магазин светильников для освещения в Москве.
Сила света светодиодных ламп – преимущества перед другими источниками освещения
Сила света лампы – это пространственная плотность светового потока или, другими словами, отношение потока света внутри телесного угла к величине этого угла. Сила источника света показывает, какую часть потока излучает источник в направлении его свечения. Сила света определяется в канделах или кд и связана с остальными понятиями светотехники. Например, один люмен – это испускаемый точечным источником освещения световой поток, сила света при этом составляет 1кд, а угол, в котором находится свет – 1 стерадиан (ст).
Сила света и освещенность от разных источников искусственного света
Если у источника освещения высокая сила света — яркость и освещенность в помещении повышается. Разные виды лампы имеют различные показатели силы света, повышающиеся по мере создания более современных источников освещения. Например, сила света лампы накаливания с мощностью 100Вт обеспечивает силу света в 100кд, а энергосберегающая лампа при мощности всего в 23Вт позволяет получить аналогичные показатели силы света.
Что касается светодиодных ламп, они обеспечивают силу света в 250кд при мощности в 2,1Вт, а служат около 50 тысяч часов, что обеспечивает экономию электроэнергии.
Как определить силу света лампы для разных помещений?
Сила света рассчитывается по формуле I = E * r², где I — сила света в канделах (кд), Е — уровень освещенности (лк), а r — расстояние до источника света (м). То есть, для определения необходимой силы света нам нужно знать показатели освещенности для разных комнат. Для общей комнаты этот показатель составляет 500лк (около 1000кд), для кабинета – не менее 300лк (600-1000кд), для ванной комнаты – около 100лк (400кд), так же, как и для спальни, где освещенность варьируется от 50 до 200лк.
Таким образом, для кабинета потребуется установить всего две светодиодные лампы или пять ламп накаливания. При этом количество потребляемой электроэнергии в случае установки ламп накаливания будет значительно превышать аналогичные параметры для светодиодных источников освещения.
Пространственная плотность светового потока это
В оптике энергия излучения определяется за время намного большее, чем период собственных колебаний электромагнитных волн оптического диапазона. Ограничимся простой геометрической моделью, являющейся следствием уравнений Максвелла, согласно которой свет представляет собой поток лучистой энергии, распространяющейся вдоль геометрических лучей.
Электромагнитное поле в однородных изотропных средах переносит энергию в направлении, которое указывается оптическим лучевым вектором .
Энергия измеряется в джоулях: .
2.1.1. Поток излучения
Основной величиной, которая позволяет судить о количестве излучения, является поток излучения (или мощность излучения):
Поток излучения (лучистый поток) – это величина энергии, переносимой полем в единицу времени через данную площадку (рис.2.1.1)
Поток излучения измеряется в ваттах:
Рис. 2.1.1. Поток излучения.
Энергия зависит от спектрального состава света. Если разложить поле на монохроматические составляющие (каждая с определенной длиной волны), то вся энергия некоторым образом распределится между ними (рис.2.1.2).
Рис.2.1.2. Спектральная плотность потока излучения.
Спектральная плотность потока излучения – это функция, показывающая распределение энергии по спектру излучения:
Тогда общий суммарный поток для всех длин волн в диапазоне от до будет вычисляться как интеграл:
(2.1.2)
2.1.2. Поверхностная плотность потока энергии (освещенность, светимость)
Поверхностная плотность потока энергии – это величина потока, приходящегося на единицу площади:
Если площадка освещается потоком, то поверхностная плотность потока энергии будет иметь смысл энергетической освещенности или облученности . Если поток излучается площадкой, то поверхностная плотность потока энергии будет иметь смысл энергетической светимости .
Спектральная плотность поверхностной плотности потока показывает распределение светимости или освещенности по спектру излучения:
2.1.3. Сила излучения
Рассмотрим излучение точечного источника в пределах некоторого телесного угла (рис.2.1.3):
Рис.2.1.3. Энергетическая сила света.
Телесный угол данного конуса равен отношению площади поверхности, вырезанной на сфере конусом, к квадрату радиуса сферы.
Телесный угол измеряется в стерадианах (в сфере ).
Сила излучения (энергетическая сила света) – это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого он распространяется:
За единицу энергетической силы света приняты сила излучения такого точечного источника, у которого в пределах равномерно распределяется поток излучения в .
Энергетическая сила света – величина, имеющая направление. За направление силы света принимают ось телесного угла, в пределах которого распространяется поток излучения.
Поток называется равномерным, если в одинаковые телесные углы, выделенные по какому-либо направлению, излучается одинаковый поток. В случае неравномерного потока для определения силы света в каком-то направлении надо выделить элементарный телесный угол вдоль данного направления и измерить световой поток , приходящийся на этот телесный угол:
(2.1.7)
Для неравномерного потока существует понятие средней сферической силы света :
(2.1.8)
Спектральная плотность силы излучения показывает распределение силы излучения по спектру:
(2.1.9)
2.1.4. Энергетическая яркость
Яркость определяет поверхностно-угловую плотность потока излучения. Яркость является характеристикой протяженного источника, в то время как сила излучения является характеристикой точечного источника.
Энергетическая яркость – это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении.
Если излучающая площадка перпендикулярна направлению излучения, то энергетическая яркость определяется следующим образом:
, (2.1.10)
За единицу энергетической яркости принимают яркость плоской поверхности в , которая в перпендикулярном направлении имеет энергетическую силу света в .
где – угол между направлением излучения и нормалью к площадке (рис.2.1.4).
Рис.2.1.4. Энергетическая яркость.
Спектральная плотность энергетической яркости показывает распределение энергетической яркости по спектру:
(2.1.12)
2.1.5. Инвариант яркости вдоль луча
Яркость постоянна (инвариантна) вдоль луча при отсутствии потерь энергии:
Если среда неоднородна (показатель преломления меняется), то используется приведенная яркость (инвариант яркости) :
- яркость является основной характеристикой передачи световой энергии оптической системой;
- оптическая система в принципе не может увеличивать яркость проходящего через нее излучения (она может лишь уменьшить яркость за счет поглощения или рассеяния света).
2.1.6. Поглощение света средой
Световой поток, распространяясь в оптической среде, частично поглощается.
Энергетический коэффициент пропускания – это отношение энергетического светового потока , пропущенного данным телом, к энергетическому потоку , упавшему на него :
Если среда поглощает, то инвариант яркости вдоль луча выглядит следующим образом:
(2.1.15)
Спектральная плотность пропускания показывает распределение коэффициента пропускания по спектру.
Оптическая плотность среды – логарифм величины, обратной пропусканию:
(2.1.16)
Таким образом, более оптически плотная среда сильнее поглощает.
Решение задач на определение энергетических величин рассматривается в практическом занятии «Энергетика световых волн», пункт «1.1. Расчет энергетических величин».
Пространственная плотность светового потока это
Световые величины и единицы. Статья была опубликована журналом «Install PRO» . В сем, кто занимается решением задач, так или иначе связанных со светом, рано или поздно придется столкнуться со своеобразной спецификой применяемых понятий, терминов и величин. Чтобы чувствовать себя свободно в таких случаях, попробуем разобраться, что и откуда взялось.
Начнем с того, что свет — это электромагнитное излучение, которое может зафиксировать человеческий глаз. Уже это определение помогает многое расставить по местам: можно говорить о характеристиках света как излучения и о характеристиках действия этого излучения на глаз человека.
Понятие «излучение» связано, прежде всего, с переносом в пространстве некоего количества энергии — энергии излучения. Для оценки этой энергии был введен аналог понятия «мощность» — поток энергии.
Поток энергии — это энергия, переносимая излучением за бесконечно малый промежуток времени. Если обозначить это время как dt, а энергию, переносимую излучением, как dQe, то поток энергии Фе будет определяться:
Это понятие является ключевым, и все остальные величины построены на нем.
Свет представляет собой, как правило, сложное излучение, т.е. совокупность (спектр) простых (монохроматических) излучений с определенной длиной волны. Для оценки вклада каждого монохроматического излучения в общий спектр вводят еще одно понятие — спектральная плотность потока излучения. Эта величина есть функция длины волны и определяется как отношение потока энергии в бесконечно малом диапазоне около некоторого значения длины волны к этому диапазону. Говоря обычным языком, мы разбиваем весь диапазон на мелкие кусочки и смотрим, какой поток и как плотно излучается в каждом из них.
Теперь перейдем от энергетических величин, характеризующих любое излучение, к величинам именно световым.
Известно, что человеческий глаз воспринимает разное излучение по разному. В зависимости от длины волны, излучение одинаковой мощности вызывает различную реакцию. Например, излучение с длиной волны 300 нм мы вообще не увидим, а излучение той же мощности, но с длиной волны 555 нм будет видно лучше, чем любое другое. Чтобы учесть все эти особенности Международной комиссией по освещению (МКО) была введена функция V(l) — относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО (для дневного зрения).
Функция эта не равна нулю во всем диапазоне видимого света, а максимум функции V(l) приходится на длину волны 555 нм. Это произошло потому, что было определено — реакция глаза среднестатическрго наблюдателя на это излучение максимальна. Для оценки излучения по его действию на глаз человека ввели новую систему — систему световых величин, основной единицей которой стал люмен . Излучение с длиной волны 555 нм и потоком (мощностью) 1 Вт эквивалентно 683 люменам светового потока.
Таким образом, чтобы получить световой поток сложного излучения, необходимо оценить его по действию на глаз, т. е. соотнести с V(l).
Рассмотрим пример. Допустим, что обыкновенная лампа накаливания излучает энергетический поток 60 Вт. Спираль лампы излучает по известным законам, и, следовательно, можно узнать спектральную плотность потока излучения этой лампы (для большинства ламп эти данные можно найти в каталоге производителя). Далее разбиваем весь диапазон (380 — 780 нм) на равные промежутки и для каждой длины волны (по одному среднему значению для промежутка) умножаем спектральную плотность потока излучения на относительную световую эффективность — на 683, и на величину промежутка. Сложив полученные значения, будем иметь световой поток в люменах.
Теперь, когда известен способ перехода от энергетических величин к световым, рассмотрим новою систему подробнее.
С основным понятием — световой поток излучения — мы уже познакомились. Следующим немаловажным понятием является сила света . Сила света в заданном направлении — это отношение светового потока, распространяющегося равномерно в бесконечно малом телесном углу, к величине этого угла. Говоря проще — пространственная плотность светового потока. Сила света по различным направлениям — это очень важная характеристика любого светильника и светового прибора: она показывает, каким образом прибор «светит» в пространство вокруг себя. Единица силы света — кандела . Она является одной из основных единиц системы СИ.
Если предыдущие понятия не очень наглядны, то следующие несколько проще для понимания.
Светимость — плотность светового потока по поверхности излучателя, т. е. отношение потока, излучаемого бесконечно малым участком излучателя, к площади этого участка.
Освещенность — плотность светового потока по освещаемой поверхности. Эта величина служит основой всех проектов, связанных со светом и освещением, так что предлагаем остановиться подробнее именно на ней.
Освещенность измеряется в люксах (лк). Один люкс — это освещенность, которую имеет поверхность площадью 1 кв.м с падающим на нее световым потоком в 1 люмен.
Чаще всего нет необходимости в определении освещенности точно в каждой точке помещения. Для оценки световой среды можно применять так называемые интегральные характеристики светового поля (в большинстве случаев они более наглядны и легче определяются). Все эти характеристики носят название освещенности: освещенность поверхности, цилиндрическая освещенность, полусферическая освещенность, сферическая освещенность.
Освещенность поверхности можно определить как отношение всего светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Эту характеристику целесообразно применять, при освещении плоских предметов (картины и т. п.).
Цилиндрическая освещенность — это отношение потока, падающего на цилиндр, к площади боковой поверхности бесконечно малого цилиндра. Она определяет насыщенность пространства светом. Эту характеристику применяют в случае освещения предметов, которые рассматриваются с разных сторон (скульптуры, манекены), и людей (актеры, манекенщицы и т.п.). Часто для простоты цилиндрическую освещенность определяют как среднюю освещенность по нескольким плоскостям обзора (например, с четырех разных сторон). Чем больше плоскостей, тем точнее результат.
Полусферическая освещенность и сферическая освещенность аналогично цилиндрической освещенности определяют моделирующие свойства световой среды при разных направлениях зрения.
[В начало сайта]
Ваши комментарии направляйте, пожалуйста, по адресу:
webmaster@dsl.msk.ru
© ДСЛ 1997-2010