Что такое освещенность, цветовая температура и яркость света

Трудно встретить человека, который не разбирался бы в мерах длины, площади, объема, веса. Не вызывает сложностей исчисление времени, определение температуры. Но вот если спросить кого-нибудь о фотометрических величинах, то в большинстве случаев внятного ответа ожидать не приходится. А между тем, с освещением, естественным или искусственным, мы живём в постоянном контакте. Значит, надо научиться и его оценивать каким-то образом.

Безусловно, такая оценка производится всегда и всеми, но чаще всего – чисто на уровне субъективного восприятия: достаточно света или нет. Однако, подобная «градация» именно что субъективная, и может давать существенные ошибки. Последствия таких некорректных оценок нельзя недооценивать — и недостаточность освещения, и его избыточность негативно влияют и на органы зрения человека, и на его психоэмоциональное состояние.

А между тем, существует специальная величина – освещенность, значение которой регламентируется законодательными актами в области строительства и санитарии. То есть освещенность это как раз тот критерий качества, позволяющий правильно оценить организацию системы освещения помещений. В этой статье мы как раз и поговорим об этом параметре и связанными с ним другими фотометрическими величинами, посмотрим, как это можно использовать в практическом приложении.

Какие фотометрические величины используются при расчетах освещения

По укоренившейся привычке многие продолжают считать, что оценку освещенности помещения можно производить в единицах измерения энергии – ваттах. Такое заблуждение легко объяснимо – в наследство от времен полного господства ламп накаливания нам остался этот устойчивый стереотип.

Лампы накаливания выпускались различной потребляемой мощности – 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150 и более ватт. И каждый хозяин дома или квартиры на собственном опыте знал, что для нормального освещения в гостиной, например, он должен ввернуть в люстру три лампочки по 60 ватт, для настольной лампы достаточно будет «сороковки», в кухню нужно приобрести стоваттную и т.д.

Кстати, явным наследием этого до сих пор остаётся практика, применяемая производителями ламп – указывать на их упаковке, кроме потребляемой мощности, светоотдачу, выраженную в эквиваленте мощности старых ламп накаливания.

Так что запомним первое – в ваттах ни световой поток, излучаемый лампой, ни получающаяся от нее освещенность поверхности не измеряются. Указанные на корпусе прибора ватты – это количество потребленной лампой электроэнергии, которая путем тех или иных физических преобразований превращается в видимый свет.

Некоторые люди старшего поколения вообще уверены, что световая отдача осветительного прибора измеряется в свечах. Кстати, это не столь далеко от истины, а почему – станет понятно ниже. Но это опять же – никак не освещенность.

Так что имеет смысл рассмотреть основные фотометрические величины по порядку, от источника света к освещаемой поверхности. Сразу оговоримся – тема эта довольно сложная для восприятия неподготовленным человеком. Поэтому постараемся максимально упростить изложение, не будем его перегружать громоздкими формулами. Так, чтобы просто сложилось общее понимание вопроса.

Световой поток

Свет, как известно, имеет волновую природу. В определённом диапазоне длин волн электромагнитное излучение воспринимается органами зрения человека, то есть становится видимым. Примерные границы этого диапазона – от 400÷450 нм (красная часть спектра) до 630÷650 (фиолетовая область).

Электромагнитные волны являются переносчиком энергии – именно энергия Солнца обеспечивает жизнь на Земле. Но отвлечёмся от астрономических категорий, вернемся к обычным источникам света.

Итак, раз источник излучает свет, то это означает излучение и перенос определённой энергии. Количество этой лучистой энергии (We), перенесенной в единицу времени, носит название лучистого потока (Фе). И измеряется он в ваттах.

Однако, речь идет об освещении, то есть восприятии цвета человеческим зрением. И оценить количество энергии «на глаз» — это сразу заложить большую погрешность. Например, два источника, обладающих равной мощностью излучения, но с разным цветом свечения, будут восприниматься глазом тоже по-разному.

Чтобы унифицировать этот параметр, введена специальная физическая величина – световой поток (Ф). Это тоже показатель мощности лучистого потока, но только той его части, что воспринимается среднестатистическим здоровым человеческим глазом.

Измеряться световой поток  также может в ваттах (это, скорее, энергетический показатель), или в люменах (световой показатель). На практике обычно применяются люмены.

Для точного значения одного люмена в качества эталона взято излучение из центральной, зеленой части видимого спектра, длиной 555 нм.

Итак, принято, что лучистый поток с длиной волны 555 нм величиной 1 ватт соответствует 683 люменам. Почему такой странный коэффициент? Просто окончательное утверждение этой единицы в системе СИ состоялось в 1979 году, а первые опыты по фотометрии с введением показателя светового потока начали производиться задолго до этого. В ту пору, когда электрического освещения еще не существовало, и более-менее стабильным, «эталонным» источником света служила обычная свеча. И сложившееся соотношение энергетического ватта и светового люмена было со временем пересчитано  и перешло до наших дней.

Еще раз напомним — упомянутые выше ватты, которыми также может измеряться световой поток, не имеют никакого отношения к тем, что указаны на упаковке лампы. Там показывается потребление светильника, то есть то количество энергии, которое он «заберет» из сети. Нас же должна больше волновать его энергетическая световая отдача – какое количество видимой лучистой энергии он «выдаст». Так что гораздо правильнее будет при выборе лампы обращать внимание не на эфемерные сравнительные аналогии в ваттах, а на четко указанное значение светового потока в люменах.

Световая отдача

Это – очень интересная в практическом плане величина, так как она, по сути, характеризует эффективность источника света. Важно выбирать лампу не исходя из ее потребляемой электрической мощности, а из того, как эта мощность расходуется при преобразовании в световую энергию.

Итак, величина светоотдачи показывает, какой световой поток вырабатывается лампой при преобразовании одного ватта затраченной энергии. Понятно, что и измеряется она в люменах на ватт (лм/Вт).

Преобразование одного вида энергии в другой производится по-разному. Например, в привычных лампах накаливания применен резистивный принцип – свечение вызывает раскаленная спираль с большим электрическим сопротивлением. Понятно, что это сопровождается огромными тепловыми потерями. Более эффективными являются современные осветительные приборы, основанные на принципах свечения полупроводниковых матриц при пропускании тока или специально подобранных газовых смесей при их ионизации. Здесь на ненужный нагрев расходуется значительно меньше затраченной энергии.

Выше уже говорилось, что пик нормального восприятия света человеческим глазом приходится на длину волны в 555 нм. И в идеальных условиях, при полном преобразовании электрической энергии в монохроматический световой поток указанной длины волны, то есть при совершенном отсутствии потерь, теоретически возможно добиться светоотдачи в 683 лм/Вт. Это называется идеальным источником света, которого в природе, увы, не существует.

В таблице ниже приведены сравнительные характеристики для наиболее применяемых в быту ламп – накаливания, люминесцентных и светодиодных. Хорошо видно, насколько экономичнее становится использование современных источников света, то есть как возрастает показатель светоотдачи.

(Значения в таблице указаны примерные. В любой из категории ламп могут быть отклонения в ту или иную сторону – это зависит от качества конкретной модели. Но общую картину таблица представляет довольно наглядно).

Конкретное значение светоотдачи не всегда, но все же указывается некоторыми производителями ламп на их упаковке. Это может быть надпись «светоотдача» или же «Lighting effect». Если нет, то его несложно определить и самому, разделив паспортный световой поток на указанную потребляемую мощность.

Совершенно очевидно, что из всех ламп, применяемых в бытовых условиях, наилучшими показателями светоотдачи обладают светодиодные приборы – у них этот показатель доходит до 100 лм/Вт, и даже может быть несколько выше. Но прогресс не стоит на месте, и разработчики заявляют о скором выходе в серийное производства ламп со светоотдачей порядка 200 лм/Вт. Но до идеального источника еще ой как далеко…

Кстати, ученым удалось оценить световую отдачу Солнца, и она – не столь высока: примерно 93 лм/Вт.

Про световую отдачу источников света различного типа рассказывается и в предлагаемом видеосюжете:

Видео: Что такое световая отдача, и каково практическое применение этого параметра?

Сила света

В физике есть понятие точечного источника света – он распространяет излучение совершенно одинаково во всех направлениях. На практике такое если и бывает, то крайне редко, да и то – с некоторым упрощением понятий. На деле световой поток в разные стороны бывает неравномерен. И чтобы оценить, скажем так, его пространственную плотность, оперируют величиной силы света. А чтобы разобраться, что это такое, придется вспомнить еще и понятие телесного угла.

Начнем именно с геометрии. Итак, телесный угол – это часть пространства, объединяющая все лучи, исходящие из одной точки и пересекающую определенную поверхность (ее называют стягивающей поверхностью). В фотометрии, понятно, это освещаемая поверхность. Измеряется этот угол в особых величинах – стерадианах (ср), и обычно в формулах обозначается символом Ω.

Величина телесного угла – это отношение площади стягивающей поверхности к радиусу сферы.

Ω = S/R²

То есть если взять, к примеру, сферу с радиусом один метр, то телесный угол в один стерадиан «вырежет» на ее поверхности пятно площадью один квадратный метр.

Для чего это знать? Дело в том, что понятие силы света напрямую связано с телесным углом. А конкретно – световой поток в один люмен, распространяющийся в пространстве, ограниченном телесным углом в один стерадиан, обладает силой света в одну канделу. Математически эта зависимость выглядит так:

I = Ф/ Ω

А если говорить об энергетической силе света, равной одной канделе, то это 1/683 Вт/ср.

Кстати, кандела – это одна из семи основных величин системы СИ.

Кандела в буквальном переводе с латинского означает свечу. Это как раз тот «пережиток прошлого», о котором уже говорилось выше, но зато он очень наглядно показывает всю взаимосвязь величин.

Поясним на рисунке:

Итак, имеется точечный источник света – свеча. Ее горящий фитиль излучает свет силой в одну канделу (поз. 1).

В пространстве, ограниченном телесным углом, равным одному стерадиану (поз. 2), будет при этом распространяться световой поток (поз. 3), равным одному люмену. На некотором расстоянии от источника (радиусе сферы – поз. 4) этот поток освещает поверхность определённой площади (поз. 5). Забегая вперёд сразу скажем, если площадь равна одному квадратному метру, то что при таких условиях в этом «световом пятне» обеспечивается освещенность, равная одному люксу (лк).

Если вернуться к свече, как к эталонному источнику света, то несложно рассчитать и ее общий световой поток. Полная сфера имеет телесный угол, равный 4π, то есть, с небольшим округлением, он равен 12.56 стерадиан. А это значит, что свеча, излучающая во все стороны свет силой в одну канделу, дает общий световой поток, равный 12.56 люмен.

Интересно, что еще не столь давно излучающую способность источников света и оценивали «в свечах». Например, говорили – нужна «лампочка на шестьдесят свечей». Продавцы и покупатели прекрасно понимали друг друга – приобреталась лампочка накаливания на 60 Вт, хотя, по сути, эти величины никак между собой в данном случае, с точки зрения физики, не связаны. И что забавно – это было близко к истине.

Давайте посмотрим – 60 свечей по 12,56 люмен дадут в сумме 753,6 люмена. Заглянем в таблицу выше – лампа накаливания с потреблением 60 ватт обладает световым потоком в примерно в 700 люмен. Совсем рядышком!

Но, повторимся, правильна оценка источников света все же должна осуществляться в люменах.

Яркость света

Стоит рассмотреть еще один параметр – это яркость источника света. Дело в том, что с точечными источниками дело иметь практически не приходится. То есть большинство источников обладает какой-то определенной излучающей поверхностью. И при равном световом потоке, но отличающейся площади излучения света, зрением это будет восприниматься по-разному.

То есть, по сути, яркость – эта сила света, излучаемого с определенной единицы площади видимой поверхности источника света.

L = I/S

Понятно, что единицей яркости будет кандела на квадратный метр.

Это важная величина, так как органы зрения, если смотреть на источник света, реагируют, скорее, не на силу света как таковую, а именно на яркость. При большой ее величине (свыше 160 тыс. кандел на квадратный метр) свет может вызвать раздражение глаз, болезненные ощущения, слезливость. Поэтому производители осветительных приборов и выпускают лампы с матовыми колбами. Практически без потери светового потока, излучение идет не конкретно от волоска накаливания или светодиода с их небольшими площадями, а с куда большей по площади поверхности колбы. Такое свечение значительно безопаснее для сетчатки глаза, воспринимается зрением намного комфортнее.

Освещенность поверхности

Вот, наконец, добрались мы и до освещенности. Эту величину можно считать самой прикладной, так как именно освещенностью того или иного участка оценивается общая работа осветительных приборов.

Образно выражаясь, освещенность (Е) – это поверхностная плотность светового потока (Ф), распределенного на той или иной площади (S). Если подходить с некоторым упрощением, то это можно выразить такой формулой:

Е = Ф/ S

Как мы видели выше, один люмен светового потока на площади в один квадратный метр создает освещенность, равную одному люксу (лк).

Зависит освещенность от целого ряда факторов, если даже не принимать во внимание собственные характеристики источника света.

• Во-первых, чем дальше расположен источник от освещаемой поверхности, тем больше площадь «светового пятна» (вспоминаем конус телесного угла). То есть световой поток распределяется по большему участку. Причём, как мы помним, эта зависимость – квадратичная. То есть при изменении расстояния вдвое, освещённость снизится в четыре раза, втрое – в девять раз, и т.п.

Если рассматривать точечный источник, то можно применить формулу Кеплера:

Е = I / r²

О значении входящих в формулу величин повторяться не будем – они приведены выше.

• Во-вторых, показанная выше формула Кеплера справедлива лишь для поверхности, перпендикулярной направлению светового потока. На деле, безусловно, так бывает нечасто. То есть в том случае, когда освещаемая плоскость расположена под каким-то углом α к направлению потока, приходится делать поправку и на это:

Е = (I / r²) × cos α.

Вспомните – когда вам необходимо максимально ярко осветить поверхность, вы направляете фонарь перпендикулярно к ней. Но если его расположить под углом – освещенность резко упадет, так как свет как будто «размазывается» по поверхности.

• В-третьих, освещенность конкретного участка зависит еще и от его, так сказать, окружения. Дело в том, что большинство поверхностей не поглощают весь попадающий на них свет, а в значительной степени отражают его. И тем самым сами становятся своеобразными источниками света.

Вспомним что говорилось в разделе про яркость свечения. Да, действительно, яркость таких подсвеченных участков бывает не особо высока. Но зато излучение идет с приличной площади, и в итоге создается весьма значимый световой поток.

А яркость такой подсвеченной поверхности зависит и от ее освещенности, и от диффузно-отражающей способности, которая имеет отдельное название – альбедо. Чем выше это альбедо, тем ярче свечение. А раз ярче – то и больше изучаемый «вторичный» цветовой поток.

Несколько наглядных примеров отраженного света. Лист белой бумаги при освещённости всего в 50 люкс будет иметь яркость в 15 кд/м². Свечение полной луны (а это, как мы знаем – отраженный от ее поверхности солнечный свет) характеризуется яркостью в 2500 кд/м². А поверхность чистого белого снега в солнечный день достигает яркости до 3000 кд/м². Немало!

Это явление очень широко используется при организации освещения и в дизайнерском оформлении комнат. Выпускаются целые модельные линейки светильников, специально рассчитанных на направленность в сторону стен или потолка, то есть «в работу» по общему освещению помещения включаются именно подсвеченные участки. Этот же эффект применяется при создании многоярусных потолочных конструкций со светодиодной ленточной подсветкой.

Несложно догадаться, что освещенность помещения будет зависеть и от выбранного стиля его отделки. Одна и та же лампочка, скажем, в белой комнате даст куда большую освещенность, чем в выкрашенной в темных тонах.

Так как конечным ожидаемым результатом работы осветительных приборов является создание комфортных и безопасных для здоровья показателей освещения в помещении, именно значение освещенности поверхностей и подлежит регламентации. В законодательных актах (СНиП и СанПиН) указывается, какая освещенность должна достигаться в различных помещениях, в зависимости от их предназначения.

Так, действующим СНиП 23-05-95 в его актуализированной редакции (Свод Правил СП 52.13330.2011 ) указанные следующие нормативные показатели освещенности для жилых домов:

При этом оценка освещенности должна вестись на горизонтальной плоскости на высоте пола. Для лестниц – как на высоте пола, так и на переходных площадках и ступенях.

Для оценки уровня освещенности применяются специальные приборы – люксметры. Они состоят из фотоприемника со сферической поверхностью датчика, и блока-преобразователя с аналоговой (стрелочной) или цифровой индикацией показаний.

Понятно, что люксметр – это узкопрофессиональный дорогостоящий прибор, которым пользуются специалисты, и иметь который дома совершенно не требуется. Но разбираться в вопросах основных фотометрических величин – не помешает любому хозяину дома или квартиры.

Зачем? — могут спросить многие. Да хотя бы для того, чтобы суметь самостоятельно спланировать использование тех или иных источников света, чтобы добиться нужной освещённости. Ведь от нее напрямую зависит здоровье и общее настроение всех членов семьи.

О практическом положении этих знаний как раз пойдет речь в следующем разделе публикации.

Цветовая температура

Чтобы закончить разговор об основных характеристиках источников света, необходимо остановиться и на их цветовой температуре.

При совершенно равных показателях излучаемого светового потока одна лампочка может давать тёплый желтоватый цвет, другая – белый нейтральный, а третья, например – светиться холодным оттенком синевы. Как их различить по этому параметру? Для этого разработана специальная шкала цветовой температуры.

Сразу оговоримся – здесь нет никакой связи между температурой воздуха в помещении или температурой нагрева самого источника света. Просто в качестве эталона взято свечение физического тела, разогретого до больших температур.

Любое тело, если его температура выше абсолютного нуля, само по себе является источником инфракрасного излучения. По мере роста температуры, длина волны этого излучения меняется, и в определенный момент доходит до видимого участка спектра.

Это, наблюдал, наверное, каждый – металлический пруток при нагревании сначала краснеет, затем начинает светиться ярко-красным светом, можно его раскалить, как говорят, и «добела». А при выполнении электросварочных работ, когда температура дуги достигает очень высоких показателей, плавящийся метал может приобрести и голубой оттенок.

Именно эта градация и положена в основу шкалы цветовой температуры. Она указывается в Кельвинах – а по шкале можно увидеть, какое свечение будет излучать лампа.

Эта цветовая температура обычно указывается в маркировке ламп. Иногда она сопровождается и текстовым пояснением, или даже миниатюрной шкалой, показывающей, в какой области видимого спектра будет светиться лампа.

Выбор ламп по их цветовой температуре зависит от того, какую обстановку планируется поддерживать в помещении. Безусловно, здесь будет играть немалую роль и субъективный фактор – то есть предпочтения хозяев. И готовых «рецептов» на этот счет нет. Но в таблице ниже приведен рекомендательный обзор ламп по их свечению. Возможно, это кому-то поможет при выборе.

Проведение самостоятельных расчетов.

Как и было обещано, в этом разделе публикации будет рассмотрен алгоритм проведения расчета освещенности. Точнее, если быть более корректным, расчет имеет как раз обратную направленность. То есть нормальное значение освещенности нам уже известно. И вычисления должны нас привести к результату, сколько ламп и с каким световым потоком потребуется для его обеспечения.

Общая формула для проведения расчетов

Итак, начнем с той формулы, которая будет у нас служить основой расчетов.

Fл = (Ен × Sп × k × q) / (Nc × n × η)

Fл — это световой поток лампы, которую требуется установить в светильник. То есть эта та самая величина, которая поставлена целью проведения вычислений.

Ен — нормативная освещённость поверхностей, в зависимости от типа помещения. Она соответствует параметрам, установленным СНиП и приведенным выше в таблице.то есть отталкиваемся именно от нормативного значения.

Sп — площадь освещаемой поверхности. Обычно здесь фигурирует площадь комнаты, если рассчитывается общее освещение. Но если целью ставится расчет освещенности локального участка (например, рабочей зоны), то подставляется именно площадь этой зоны.

k — корректирующий коэффициент, который часто называют коэффициентом запаса. Его введением учитывается сразу несколько обстоятельств, влияющих на световую отдачу ламп. Во-первых, многие лампы со временем начинают растрачивать свой излучающий потенциал, попросту говоря – тускнеть. Во-вторых, на излучающую способность могут влиять и некоторые внешнее факторы – это запыленность помещения или, скажем, высокая концентрация пара, препятствующая свободному распространению световых лучей.

Коль речь у нас идет о жилых помещениях, где плотный пар стоять не должен, а пыль удаляется регулярными уборками, то вторую группу факторов можно сбросить со счетов. А по постепенной потере излучающей способности коэффициент для разных типов ламп можно принять следующим:

— лампы люминесцентные (газоразрядные): 1.2;

— обычные лампы накаливания и «галогенки»: 1.1;

— лампы светодиодные: 1.0.

q — коэффициент, учитывающий неравномерность свечения некоторых типов ламп. Он принимается равным:

— для ламп накаливания и газоразрядных ртутных ламп: 1.2;

— для компактных люминесцентных ламп накаливания и светодиодных источников света: 1.1.

Переходим к знаменателю дроби.

Nc — количество осветительных приборов, планируемых к установке в помещении или в отдельной зоне, для которой проводится расчет.

n — количество рожков в планируемом к установке светильнике.

Наверное, понятно, что произведение последних двух величин показывает, какое же количество ламп планируется к установке. Например, устанавливается одна пятирожковая люстра. Тогда Nc =1, а n =5. Или планируется осветить помещение двумя приборами, каждый по три лампочки: Nc =2, а n =3, Но если освещение будет осуществляться одним прибором с одной лампой, что обе эти величины будут равны единице.

η — коэффициент использования светового потока. Эта поправочная величина учитывает множество факторов, касающихся как особенностей помещения, так и специфики планируемых к установке осветительных приборов.

Так как именно этот коэффициент пока что остается неизвестной величиной, с него и следует начать проведение расчётов.

Находим коэффициент использования светового потока

Эту величину можно назвать табличной эмпирической. Она зависит и от площади помещения, и от расположения светильника, и от основного направления светового потока, и от отделки поверхностей потока, стен и пола.

Прежде всего для входа в таблицу придется определить так называемый индекс помещений. Он учитывает размеры помещения, причём, именно в соотношении длины и ширины, так как в квадратной комнате и в вытянутой прямоугольной световой поток все же будет распространяться по-разному. И второе – он учитывает высоту расположения светильника над освещаемой поверхностью. Как мы помним – по требования СНиП оценка освещенности ведется по горизонтальной плоскости на уровне пола.

Важно – иногда путают высоту потолка в комнате с высотой установки светильника. А это все же не одно и то же! Например, осветительный прибор может быть закреплён на стене (бра), установлен на стойке или размещен на столе или тумбочке (торшер или настольная лампа), подвешен к потоку на определенном расстоянии от потолочной поверхности (люстра).

Формула, наверное, ни о чем не скажет. Лучше предложим воспользоваться для определения этого индекса помещения онлайн-калькулятором.

Калькулятор для определения индекса помещения.

Перейти к расчётам

Итогом расчетов станет какая-то дробная величина. Ее приводят в ближайшую сторону к следующим значениям: 0,5;  0,6;  0,7;  0,8;  0,9;  1,0;  1,1,  1,25;  1,5;  1,75;  2,0;  2,25;  2,5;  3,0;  3,5;  4,0;  5,0. Почему именно к ним? Да, четно говоря, просто потому, что именно такая градация принята в таблицах, расположенных ниже.

Таблицы для определения коэффициента использования светового потока

Для входа в таблицу необходимо будет еще оценить отражающую способность поверхностей в помещении (помните, говорилось о некотором альбедо, способствующим освещенности или, наоборот, приглушающим ее).

Отражающую способность поверхностей, в зависимости от цвета их отделки, можно принять следующую:

Для пользования таблицей следует сразу оценить отделку комнаты в порядке: потолок – стена – пол в процентах отражающей способности. Понятно, что здесь придётся проявить определённую сообразительность – с белым и черным цветов ясность есть, а вот с остальным необходимо подумать, отнести их больше к светлым, средним или темным тонам. Но для человека с нормальным восприятием цвета это не должно стать проблемой.

Следующим шагом следует определить тип светильника, планируемого к установке – предложено пять различных вариантов. Именно этот критерий поможет выбрать нужную таблицу. (все таблицы размещены в правом столбце. Изображения «кликабельны», то есть увеличатся до нормального размера при клике мышкой).

Ну и уже по этой выбранной  таблице, на основании всех собранных данных, находится коэффициент.

Просто для примера. Планируется к установке на потолочный поверхности подвесной светильник с плафоном, дающим преимущественное распространение света вниз. Находим устраивающую нас таблицу. Вот она:

Проведённым ранее расчётом определили индекс помещения. Допустим, он равен 1.0.

По оценке отделки получаем следующее соотношение – 70% (белый потолок), 30% (темно-бежевые стены, которые можно отнести к средним тонам), 10% (темный, близкий к черному пол).

По этим значениям находим пересечение столбцов и строки (пример показан на иллюстрации), и получаем искомое значение коэффициента использования светового потока, равное 0,30.

Всё, теперь у нас есть уже все данные для проведения окончательного расчета. И для него можно, опять же, воспользоваться встроенным онлайн-калькулятором.

Калькулятор расчёта необходимого светового потока источников света

Перейти к расчётам

Полученное значение показывает, какой должен быть световой поток у ламп, которые обеспечат необходимую норму освещенности в помещении.

*  *  *  *  *  *  *

Что можно добавить напоследок?

• Если расчет ведётся для какой-то ограниченной зоны, например, для подсветки рабочей области в мастерской или гараже, то и значения площади берутся только для нее. И расположение и тип светильников также – только те, которые будут освещать именно этот участок. То есть исходим из принципа автономности – рабочая зона должна быть нормально освещена даже при полностью выключенном общем освещении. Это же касается и других локальных участков – письменного стола, выделенного места для рукоделия в кресле под торшером и т.п.
• Нормальная освещенность довольно часто в повседневной жизни выглядит избыточной. Например, человеку просто хочется побыть одному в полумраке, или просто для просмотра телепередач яркий свет не требуется. Значит, можно и нужно предусмотреть зональную дополнительную подсветку (на которую уже не будут распространяться санитарные нормы), или установить диммер, с помощью которого можно изменять излучаемый световой поток осветительных приборов.
• В публикации уже не раз подчеркивалось, и проведение расчета – тому лишнее подтверждение, что определяющим критерием при выборе ламп для обеспечения требуемой освещенности должен являться именно световой поток. Но про потребляемую мощность тоже забывать не следует.

Дело в том, что многие светильники имеют ограничения по этому параметру. Например, в паспорте изделия указано, что максимальная суммарная мощность не должна превышать 60 ватт. Это может быть вызвано ограниченной термостойкостью пластиковых деталей светильника или малым сечением проводов, проложенных в нем. То есть и потребляемую мощность ламп также следует учитывать. Если же она получается выше допустимого значения, значит, придется подыскивать другой светильник.
Может случиться и так, что расчетный световой поток получился столь высоким, что таких ламп в ассортименте магазинов попросту нет. Значит, планируемое количество источников света — недостаточное. Придется рассматривать варианты с увеличением количества светильников, или же со светильниками с большим количеством рожков.

Световой поток и освещенность

Содержание:

Сила света, формула: общие сведения о понятии

Одним из самых интересных и неоднозначным явлением нашего мира является свет. Для физики это один из основополагающих параметров многочисленных расчетов. С помощью света ученые надеются отыскать разгадку существования нашей вселенной, а также открыть для человечества новые возможности. В повседневной жизни свет также имеет большое значение, особенно при создании качественного освещения в различных помещениях.

Одним из важных параметров света является его сила, которая характеризует мощность данного явления. Именно силе света и расчету этого параметра будет посвящена данная статья.

Общие сведения о понятии

В физике под силой света (Iv) подразумевается мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла. Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

Сила света

В зависимости от имеющегося источника излучения, данный параметр будет увеличиваться или уменьшаться. На его изменения будет оказывать прямое воздействие значения телесного угла.

Обратите внимание! В некоторых ситуациях сила света будет одинаковой для угла любого значения. Это возможно в тех ситуациях, когда источник светового излучения создает равномерное освещение пространства.

Этот параметр отражает физическое свойство света, благодаря чему он отличается от таких измерений, как яркость, которая отражает субъективные ощущения. Помимо этого сила света в физике рассматривается как мощность. Если быть точнее, она оценивается как единица мощности. При этом мощность здесь отличается от своего привычного понятия. Здесь мощность зависит не только от энергии, которую излучает осветительная установка, но и от такого понятия, как длина волны.
Стоит отметить, что чувствительность людей к световому излучению напрямую зависит от длины волны. Эта зависимость нашла отражение в функции относительно спектральной световой эффективности. При этом сама сила света является зависимой от световой эффективности величиной. При длине волны в 550 нанометров (зеленый цвет) данный параметр примет свое максимальное значение. В результате этого глаза человека будут более или менее чувствительны к световому потоку при различных параметрах длины волны.
Единица измерения для данного показателя является кандел (кд).

Обратите внимание! Сила излучения, которое исходит от одной свечки, будет примерно равна одной канделе. Ранее применявшаяся для формулы расчета международная свеча равнялась 1,005 кд.

Свечение одной свечи

В редких случаях применяется устаревшая единица измерения – международная свеча. Но в современном мире уже практически везде используется единица измерения для этой величины – кандела.

Диаграмма фотометрического параметра

Iv представляет собой наиболее важный фотометрический параметр. Кроме этой величины к важнейшим фотометрическим параметрам относится яркость, а также освещенность. Все эти четыре величины активно используются при создании системы освещения в самых разнообразных помещениях. Без них невозможно оценить требуемый уровень освещённости для каждой отдельной ситуации.

Четыре важнейших световых характеристики

Для простоты понимания данного физического явления необходимо рассмотреть диаграмму, которая изображает плоскость, отражающую распространение света.

Диаграмма для силы света

Благодаря диаграмме видно, что Iv зависит от направления к источнику излучения. Это означает, что для светодиодной лампочки, для которой направление максимального излучения будет принято за 0°, тогда при измерении нужной нам величины в направлении 180° получится меньшее значение, чем для направления 0°.
Как видно, на диаграмме излучение, которое распространяется двумя источниками (желтый и красный), будет охватывать равную площадь. При этом желтое излучение будет рассеянным, по аналогии со светом свечи. Его мощность примерно будет равняться 100 кд. Причем значение этой величины будет одинаковой во всех направлениях. В тоже время красный будет направленным. В положении 0° он будет иметь максимальное значение в 225 кд. При этом данное значение будет уменьшаться в случае отклонения от 0°.

Обозначение параметра в СИ

Поскольку Iv является физической величиной, то ее можно рассчитать. Для этого используется специальная формула. Но прежде, чем дойти до формулы, необходимо разобраться в том, как искомая величина записывается в системе СИ. В этой системе наша величина будет отображаться как J (иногда она обозначается как I), единица измерения которой буде кандела (кд). Единица измерения отражает, что Iv, испускаемая полным излучателем на площади сечения 1/600000 м2. будет направляться в перпендикулярном данному сечению направлении. При этом температура излучателя будет раной уровню, при котором при давлении 101325 Па будет наблюдаться затвердение платины.

Обратите внимание! Через канделу можно определить остальные фотометрические единицы.

Поскольку световой поток в пространстве распространяется неравномерно, то необходимо ввести такое понятие, как телесный угол. Он обычно обозначается символом .
Сила света используется для расчетов, когда применяется формула размерности. При этом данная величина через формулы связана со световым потоком. В такой ситуации световой поток будет произведением Iv на телесный угол, к которому и будет распространяться излучение.
Световой поток (Фv) есть произведение силы света на телесный угол, в котором распространяется поток. Ф=I .

Формула светового потока

Из этой формулы следует, что Фv представляет собой внутренний поток, распространяемый в пределах конкретного телесного угла (один стерадиан) при наличии Iv в одну канделу.

Обратите внимание! Под стерадианом понимают телесный угол, вырезающий на поверхности сферы участок, который равен квадрату радиуса данной сферы.

При этом через световое излучение можно связать Iv и мощность. Ведь под Фv понимается еще и величина, которая характеризует мощность излучения светового излучения при восприятии его усредненным человеческим глазом, имеющего чувствительностью к излучению определенной частоты. В результате из вышеприведенной формулы можно вывести следующее уравнение:

Формула для силы света

Это отлично видно на примере светодиодов. В таких источниках светового излучения его сила обычно оказывается равной потребляемой мощности. В результате, чем выше будет потребление электроэнергии, тем выше будет уровень излучения.
Как видим, формула для расчета нужной нам величины не так и сложна.

Дополнительные варианты расчета

Поскольку распределение излучения, идущего от реального источника в пространство, будет неравномерно, то Фv уже не сможет выступать в роли исчерпывающей характеристикой источника. Но только за исключением ситуации, когда одновременно с этим не будет определяться распределение испускаемого излучения по разнообразным направлениям.
Чтобы охарактеризовать распределение Фv в физике используют такое понятие, как пространственной плотности излучения светового потока для различных направлений пространства. В данном случае для Iv необходимо использовать уже знакомую формулу, но в несколько дополненном виде:

Вторая формула для расчета

Эта формула позволит оценить нужную величину в различных направлениях.

Заключение

Сила света занимает важное место не только в физике, но и в более приземленных, бытовых моментах. Это параметр особенно важен для освещения, без которого невозможно существование привычного нам мира. При этом данное значение используется не только в разработке новых осветительных приборов с более выгодными техническими характеристиками, но и при определенных расчетах, связанных с организацией системы подсветки.

Освещенность. Характеристики освещения и способы их улучшения.

   Любой источник света является источником светового потока, и чем больший световой поток попадает на поверхность освещаемого предмета, тем лучше этот предмет видно. А физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу площади освещаемой поверхности, именуется освещенность.

   Освещенность обозначают символом Е, и находят ее значение по формуле Е = F/S, где F — световой поток, а S – площадь освещаемой поверхности. В системе СИ освещенность измеряется в Люксах (Лк), и один Люкс — это такая освещенность, при которой световой поток, попадающий на один квадратный метр освещаемого тела, равен одному Люмену. То есть 1 Люкс = 1 Люмен / 1 Кв.м.

Для примера приведем некоторые типичные значения освещенности

• Солнечный день в средних широтах — 100000 Лк;
• Пасмурный день в средних широтах — 1000 Лк;
• Светлая комната, освещенная лучами солнца — 100 Лк;
• Искусственное освещение на улице — до 4 Лк;
• Свет ночью при полной луне — 0,2 Лк;
• Свет звездного неба темной безлунной ночью — 0,0003 Лк.

   Представьте, что вы сидите в темной комнате с фонариком, и пытаетесь прочесть книгу. Для чтения нужна освещенность не меньше 30 Лк. Что вы сделаете?

• Во-первых, вы приблизите фонарик к книге, значит освещенность связана с расстоянием от источника света до освещаемого предмета.
• Во-вторых, вы расположите фонарик под прямым углом к тексту, значит освещенность зависит и от угла, под которым данная поверхность освещается.
• В-третьих, вы можете просто достать более мощный фонарик, поскольку очевидно, что освещенность больше, если выше сила света источника.

   Допустим, световой поток попадает на какой-то экран, расположенный на каком-то расстоянии от источника света. Увеличим это расстояние вдвое, тогда освещаемая часть поверхности увеличится по площади в 4 раза. Так как Е = F/S, то и освещенность уменьшится в целых 4 раза. То есть освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника света до освещаемого предмета.

   Освещенность вычисляют по формуле

   Когда пучок света падает под прямым углом к поверхности, световой поток распределен на наименьшей площади, если же угол увеличивать, то увеличится площадь, соответственно, уменьшится освещенность. Как было отмечено выше, освещенность напрямую связана и с силой света, и чем больше сила света, тем больше и освещенность. Экспериментально давно установлено, что освещенность прямо пропорциональна силе света источника.

   Конечно, освещенность уменьшается, если свету препятствует туман, дым или частички пыли, но если освещаемая поверхность расположена под прямым углом к свету источника, и свет при этом распространяется через чистый, прозрачный воздух, то освещенность определяется непосредственно по формуле Е = I / R2 , где I – сила света, а R – расстояние от источника света до освещаемого предмета.

   В процессе ежедневной работы осветительных установок, возможен спад освещенности, поэтому для компенсации данного недостатка, еще на стадии проектирования осветительных установок вводят специальный коэффициент запаса. Он учитывает понижение освещенности и яркости в процессе эксплуатации осветительных приборов из-за загрязнений, утраты отражающих и пропускающих свойств отражающих, оптических, и других элементов приборов искусственного освещения. Загрязнения поверхностей, выход из строя ламп, все эти факторы учитываются. Для естественного освещения вводят коэффициент снижения КЕО (коэффициента естественной освещенности), ведь со временем могут загрязнится светопрозрачные заполнители световых проемов, и загрязниться отражающие поверхности помещений.

   Европейский стандарт определяет нормы освещенности для разных условий, так например, если в офисе не требуется рассматривать мелкие детали, то достаточно 300 Лк, если люди работают за компьютером — рекомендуется 500 Лк, если изготавливаются и читаются чертежи — 750 Лк.

Измерение освещённости

   Освещенность измеряют портативным прибором — люксметром. Его принцип работы аналогичен фотометру. Свет попадает на фотоэлемент, стимулируя ток в полупроводнике, и величина получаемого тока как раз пропорциональна освещенности. Есть аналоговые и цифровые люксметры. Часто измерительная часть соединена с прибором гибким спиральным проводом, чтобы можно было проводить измерения в самых труднодоступных, при этом важных местах. К прибору прилагается набор светофильтров, чтобы регулировать пределы измерений с учетом коэффициентов. Согласно ГОСТу, погрешность прибора должна быть не более 10%.

   Измеряем освещённость люксметром

   При измерении соблюдают правило, согласно которому прибор должен располагаться горизонтально. Его устанавливают поочередно в каждую необходимую точку, согласно схеме ГОСТа. В ГОСТе, кроме прочего, учитываются охранное освещение, аварийное освещение, эвакуационное освещение и полуцилиндрическая освещенность, там также описан метод проведения измерений. Измерения по искусственному и естественному освещению проводятся отдельно, при этом важно чтобы на прибор не попадала случайная тень. На основе полученных результатов, с использованием специальных формул делается общая оценка, и принимается решение, нужно ли что-то корректировать, или освещенность помещения и территории достаточна.

Освещенность рабочего места 

   Освещение исключительно важно для человека. С помощью зрения человек получает большую часть информации (около 90 %), поступающей из окружающего мира. Свет- это ключевой элемент нашей способности видеть, оценивать форму, цвет и перспективу окружающих нас предметов. Освещение влияет не только на функционирование зрительного аппарата, то есть определяет зрительную работоспособность, но и на психику человека, его эмоциональное состояние. Исследователями накоплено значительное количество данных по биологическому действию видимого света на организм. Сравнительная оценка естественного и искусственного освещения по его влиянию на работоспособность показывает преимущество естественного света. Ведущим фактором, определяющим биологическую неадекватность естественного и искусственного света, является разница в спектральном составе излучения, а также динамичность естественного света в течение дня. 

   Освещенность рабочего места 

   Работая при освещении плохого качества или низких уровней, люди могут ощущать усталость глаз и переутомление, что приводит к снижению работоспособности. В ряде случаев это может привести к головным болям. Причинами во многих случаях являются слишком низкие уровни освещенности, слепящее действие источников света и соотношение яркостей, которое недостаточно хорошо сбалансировано на рабочих местах. Головные боли также могут быть вызваны пульсацией освещения, что в основном является результатом использования электромагнитных пуско-регулирующих аппаратов (ПРА) для газоразрядных ламп, работающих на частоте 50 Гц. С точки зрения безопасности труда зрительная способность и зрительный комфорт чрезвычайно важны. 

   Для того чтобы обеспечить условия, необходимые для зрительного комфорта, в системе освещения должны быть реализованы следующие предварительные требования:

• достаточное и равномерное освещение
• оптимальная яркость
• отсутствие бликов и ослепленности
• соответствующий контраст
• правильная цветовая гамма
• отсутствие стробоскопического эффекта или пульсации света

   Каждый вид деятельности требует определенного уровня освещенности на том участке, где эта деятельность осуществляется. Обычно, чем сильнее затруднено зрительное восприятие, тем выше должен быть средний уровень освещенности. Важно рассматривать свет на рабочем месте, руководствуясь не только количественными, но и качественными критериями.

Можно выделить следующие качественные характеристики освещения и способы их улучшения

Прямая блескость

   Находящиеся в поле зрения человека поверхности высокой яркости могут производить неприятное, дискомфортное ощущение или вызывать состояние ослепленности. В результате резко снижается зрительная работоспособность. Источниками прямой блескости являются осветительные установки и источники света.

Уменьшение прямой блескости может быть достигнуто:

• увеличением высоты установки светильников
• уменьшением яркости светильников путем закрытия источников света светорассеивающими стеклами
• ограничением силы света в направлениях, образующих большие углы с вертикалью, например, применением светильников с необходимым защитным углом
• уменьшением мощности каждого отдельного светильника за счет соответствующего увеличения их числа

Отраженная блескость

   Возникает при больших коэффициентах отражения поверхностей, попадающих в поле зрения. Наибольшая опасность возникает при освещении поверхностей, не являющихся диффузными, когда свет падает на рабочие поверхности таким образом, что глаза находятся на направлении зеркального отражения лучей. В этом случае человек видит либо зеркальное отражение источника света, либо размытое, но очень яркое световое пятно. В обоих случаях может возникнуть состояние ослепленности, но чаще уменьшается эффективный контраст между деталью и фоном. Устранение отраженной блескости достигается правильной организацией местного и локализованного освещения и таким расположением светильников, чтобы зеркально отраженные поверхностью лучи не попадали в глаза. Для этого лучше всего делать боковое или заднебоковое направление света.

Контраст между объектом и фоном 

   Чем больше яркость объекта, тем больший световой поток от него поступает в глаз и тем сильнее сигнал, поступающий от глаза в зрительный центр. Таким образом, казалось бы, чем больше яркость, тем лучше человек видит объект. Однако это не совсем так. Если поверхность (фон), на которой располагается объект, имеет близкую к объекту по величине яркость (например, линия бледно-желтого цвета на белом листе), то интенсивность засветки участков сетчатки световым потоком, поступающим от фона и объекта, одинакова (или слабо различается), величина поступающих в мозг сигналов одинакова, и объект на фоне становится неразличимым.

   Чтобы объект был хорошо виден, яркости объекта и фона должны различаться. Разница между яркостями объекта и фона, отнесенная к яркости фона, называется контрастом. Контраст между деталями и фоном, который в наибольшей степени определяет видимость объекта, не всегда является заданным и может быть увеличен или уменьшен средствами освещения и созданием световой среды. Одним из эффективных средств для повышения контраста является искусственный фон (чаще всего светлый, если объект темный, или темный, если объект светлый). Разновидностью искусственных фонов являются световые столы, на которых поверхности просматриваются в проходящем свете.

Тени

   Различаются собственные тени, образованные рельефом поверхности, и тени, падающие от предметов, находящихся вне рабочей поверхности — оборудования, мебели, тела и рук человека и т. д. Собственные тени в большинстве случаев полезны, так как позволяют лучше различать конфигурацию детали. Падающие тени почти всегда вредны. Их вред заключается в том, что они искажают контраст, отвлекают внимание и т. д. Особенно вредны движущиеся тени. Устранение или ограничение вредных теней осуществляется правильным выбором направления света. Например, когда человек пишет правой рукой, он смотрит на рабочую точку слева и с этой же стороны должен падать свет. Тени размазываются при увеличении размеров осветительных установок, смягчаются при достаточно высокой яркости стен и потолков и почти исчезают при отраженном освещении.

Насыщенность помещения светом

   Для создания комфортных зрительных условий для человека важна не только освещенность какой бы то ни было поверхности, на которой осуществляется работа, но и впечатление насыщенности помещения светом, которое получает человек. При достаточной яркости рабочей поверхности одновременное присутствие в поле зрения темных поверхностей (например, стен, потолков, мебели, оборудования) создает затруднения при адаптации зрения. От яркости этих поверхностей зависит впечатление насыщенности помещения светом. Если в помещении установлены подвесные светильники прямого света, верхняя зона помещения останется темной. Это производит неприятное эстетическое и психологическое впечатление. Поэтому лучше применять светлую окраску стен и потолков, а для освещения применять светильники, излучающие некоторую (желательно не менее 15 %) часть светового потока в верхнюю полусферу.

Постоянство освещенности во времени

   Изменения освещенности по времени можно подразделить на медленные и плавные, частые колебания и пульсации. Медленные изменения вызываются постепенными изменениями сетевого напряжения и факторами, изменяющими освещенность в процессе эксплуатации (загрязнением источников света, снижением светоотдачи и т. д.). Если освещенность при этом сохраняется на уровне не ниже нормативного значения, эти изменения не являются вредными. Причиной частых колебаний являются перемещения светильников, их раскачивание движением воздуха (ветер, сквозняк, вентиляционная установка и т. д.) и колебания напряжения в сети, порождаемые изменением нагрузки.

Пульсации

   Пульсации освещенности обусловлены малой инерционностью излучения газоразрядных ламп, световой поток пульсирует при переменном токе промышленной частоты (50 Гц) с удвоенной частотой — 100 Гц. Эти пульсации неразличимы при наблюдении глазом неподвижной поверхности, но легко обнаруживаются при рассматривании движущихся предметов. Если при пульсирующем освещении быстро махать карандашом на контрастирующем фоне, то карандаш приобретает ясно видимые контуры. Это явление носит название стробоскопического эффекта — явление искажения восприятия движущихся или вращающихся объектов наблюдения. Практическая опасность стробоскопического эффекта состоит в том, что вращающиеся части механизмов могут показаться неподвижными, вращающимися с более медленной скоростью, чем в действительности, или в противоположном направлении. Это может стать причинной травматизма. Однако пульсации освещенности вредны и при работе с неподвижными поверхностями, вызывая утомление зрения и головную боль.

   К пульсациям наиболее чувствительно периферическое зрение и поэтому они опасны при общем освещении. Выявлено также неблагоприятное влияние колебаний света на фоторецепторные элементы сетчатки, а также на функциональное состояние нервной системы, что связано с развитием тормозных процессов и снижением лабильности нервных процессов. Воздействие пульсации возрастает с увеличением её глубины и уменьшается при повышении частоты. Большинство исследователей отмечает отрицательное влияние пульсации освещённости на работоспособность человека как при длительном пребывании в условиях пульсирующего освещения, так и при кратковременном.

   Ограничение пульсаций достигается чередованием питания ламп от разных фаз трехфазной сети. В ряде случаев применяется питание ламп током повышенной частоты, что достигается укомплектовыванием светильников электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА).

Вывод

   Таким образом, становится очевидно, что неправильное освещение представляет значительную угрозу для здоровья работников. Правильная организация освещения на рабочем месте- залог здоровья, высокой производительности труда, комфортного эмоционального и психологического состояния человека. Правильная организация освещения предусматривает не только соблюдение нормативных требований по уровню освещенности и ряду других показателей, но и учет ряда качественных показателей- световой насыщенности, равномерности и однородности освещения, тенеобразования, цветовой гаммы световой среды и пр.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Лекция 3 2012 ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Лекция 3

ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Для художника или ремесленника свет одновременно и благословление и проклятие – он не отделим от красоты искусства и вместе с тем, способен физическим или химическим путем принести ему вред.

Томас Брилл

Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ фотометрии и светотехники. Фотометрия – совокупность методов измерения энергетических характери­стик электромагнитного излучения и световых величин: светового потока, силы света, освещенности, яркости и др. Основоположником экспериментальной фото­метрии следует считать П. Бугера, который опубликовал в 1729 г. описание визуаль­ного ме­тода количественного сравнения источников света: установления (путём изменения расстояний до источников) равенства освещённостей соседних поверх­ностей с ис­пользованием в качестве прибора глаза.

Основным энергетическим понятием является поток излучения Ф, имеющий фи­зический смысл средней мощности, переносимой электромагнитным излучением. Воспринимаемая глазом энергия оценивается световыми единицами, которые свя­заны с энергетическими единицами. Пространственное распределение Ф описывают энергетические фотометрические величины, производные от потока излучения по площади и (или) телесному углу. Соответствующие энергетические фотометриче­ские величины – энергетическая освещённость, энергетическая сила света, энергети­ческая яркость и т.д. Световые величины – это фотометрические величины, редуци­рованные в соответствии со спектральной чувствительностью так называемого среднего светлоадаптированного человеческого глаза (важнейшего для деятельности человека приёмника света).

С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощу­щение яркости при воздействии на человеческий глаз. Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд услов­но принятых стандартов. В 1931г. Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие среднего «стандартного наблюдателя» для людей с нормальным воспри­ятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной свето­вой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 360 до 780 нм.

Световой поток Ф и поток излучения Ф* связаны следующей зависимостью: , (3.1)

где — коэффициент перехода от энергетических единиц к единицам свето­вым, а — относительная спектральная световая эффективность излучения, которая описывает относительную чувствительность среднего человеческого глаза к видимому излучению при нормальных условиях освещенности для разных длин волн. Она измеряется в люменах на ватт в минус первой степени ().

Фундаментальная взаимосвязь между световыми и энергетическими величи­нами содержится в определении люмена, который определяется как световой поток монохроматического излучения желто-зеленого цвета с длиной волны приблизительно 555 нм, энергетический поток кото­рого равен 1/683 Вт.

Таблица 3.1

Энергетические и световые характеристики и единицы

Световой поток Ф – часть электромагнитной энергии, которая излучается источником в видимом диапазоне. Его величина равна световой энергии (оцениваемой по зри­тельному ощущению), проходящей через заданную поверхность за единицу вре­мени: Ф = W/t (3.2) , где W – количество световой энергии, проходящей через заданную по­верхность за время t. Единицей светового потока в СИ является люмен (лм). Он оп­ределяется как поток, который посылается источником света в одну канделу в телес­ный угол w ^, равный одному стерадиану.

Силой света источника I называется величина, измеряемая световым потоком, приходящимся на единицу телес­ного угла по заданному направлению. Представляет собой отношение величины светового потока Ф, распространяющегося от источника света в некотором телесном угле, к величине этого телесного угла: I = Ф/ (3.3). Полный световой поток от точечного источника света равен Ф = 4 I (3.4). Основной единицей в СИ принимается сила света в одну канделу (кд). Кандела (лат. сandela – свеча) равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо́льшая энергетическая интенсивность.

Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.

Таблица 3.2

Сила света типовых источников

Для характеристики интенсивности потока, падающего на поверхность от источника света, введена величина, получившая название освещенности Е. Освещенностью поверхности называется величина, равная световому потоку, падающему на единицу площади равномерно освещаемой поверхности. В общем случае освещенность Е определяется как отношение светового потока Ф к величине освещаемой поверхности, независимо от того, как расположена эта поверхность. В СИ ос­вещенность измеряется в люксах (лк). 1 люкс — это освещенность по­верхности площадью 1м, на которую падает световой поток в 1 люмен.

Фундаментальный для фотометрии закон освещенности был сформулирован И. Кеплером в 1604 г. Он формулируется следующим образом: освещенность, созда­ваемая точечным источником света на некоторой площадке, прямо пропор­циональна произведению силы света источника I на коси­нус угла падения лучей и обратно про­порциональна квадрату расстояния до пло­щадки от источника R:

(3.5),

где: Е – освещенность; І – сила света; R – расстояние от источника до освещаемой площадки; α – угол между лучом и нормалью к поверхности.

В таблице 3.3 представлены некоторые типичные уровни освещенности источни­ков света.

Таблица 3.3

Типичные уровни освещенности (приблизительные)

Условия Освещенность, лк

Яркий солнечный свет летом 44000

Средний дневной свет неба, покрытого облаками 5500

Верхний свет северного неба (открытые шторы) 4400

Рабочее место, например, на часовом заводе 3300

Текстильная фабрика – сравнение черных и темных цветов 3300

Окна магазина 100-2200

Футбольное поле (освещенное прожекторами) 1100

Текстильная фабрика – сравнение цвета ярких или бледных цветов 770

Библиотека 550

Экран для показа слайдов (в затемненной комнате) 11-110

Нормальное освещение в музеях 50

Жилая комната, общее освещение лампой накаливания 55-165

Освещение темной улицы 11

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью) L. Яркость равна отношению силы света, излучаемого поверхностью, к площади ее проекции на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению. Как известно, площадь проекции какой-либо плоской поверхности на другую плоскость равна площади этой поверхности, умноженной на косинус угла между плоскостями. Таким образом, (3.6), где a — угол между направлениями силы света и вертикалью.

За единицу измерения яркости сейчас во всех странах принята яркость плоской поверхности, излучающей силу света в 1 кд с одного квадратного метра в направлении, перпендикулярном светящей поверхности, то есть, 1 кд/м². Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова. Если сила света, испус­каемого 1 м² такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м².

От чего же зависит яркость предметов? Прежде всего – от количества попадающего на них света. Но она зависит и от свойств самих предметов, а именно – от их способности отражать падающий свет. Если предмет белый – он отражает почти весь падающий на него световой поток и его яркость высока, если он черный, то его поверхность поглощает почти все попадающее на него излучение и яркость его мала. То есть, при постоянстве освещенности яркость предмета тем больше, чем больше его отражательная способность, светлота. Для диффузно отражающих поверхностей (3.7). Здесь r — коэффициент отражения, определяемый отношением отраженного от плоскости светового потока к падающему на эту плоскость световому потоку (3.8).

Источники света обладают различной яркостью. В каждом отдельном случае различие источников света по яркости четко определяется человеческим глазом. Яркость света L источника света или яркость освещаемой площади объектов связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения, например, в интерьере, характеризует качество или степень комфортности освещения.

Форма и цвет предмета воспринимаются только при яркости зрительного стимула не менее или равного 10 кд/м2. При яркостях менее 0,003 кд/м2 функционируют только палочки (сумеречное зрение). Следовательно, различение цветов возможно лишь при достаточно высоких значениях яркости зрительного стимула. Надежное и более тонкое различие цветовых оттенков возможно при яркости 175 кд/м2. Колбочки чувствительны к длине световых волн. При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущаются как различия в цвете зрительных стимулов. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. С изменением длины волны изменяется и качество ощущений. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадратный метр.

Нижний абсолютный порог чувствительности – это та минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна, обнаруживаемого глазом на черном фоне. Она составляет 10^-6 кд/м2.

Верхний абсолютный порог чувствительности характеризуется болевыми ощущениями и составляет 106 кд/м2. Диапазон яркостей между верхним и нижним порогами чувствительности находится в пределах от 10^-6 до 10⁶ кд/м2.При изменении освещенности сетчатки световая чувствительность не остается постоянной, а адаптируется. Средняя интегральная яркость информационного поля и других источников света (первичных и вторичных), находящихся в поле зрения, создает яркость адаптации Lυa. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадратный метр. Отметим, что для площади рабочей поверхности 0,1 м² и более наибольшая допустимая  яркость  должна составлять  500  кд /м², а для площади 0,0001 м2 и менее — 2 000  кд /м2. Нормы  яркости  для улиц, площадей составляют  0,2-1,6  кд /м2,  яркость  архитектурного освещения фасадов зданий, сооружений — от 3 до 8  кд /м2, а максимальная   яркость  рекламных объектов с учетом их площади — 400-2 600  кд /м2.  

При   прямом  попадании мощного светового потока на орган зрения предельная величина  переносимого  уровня  яркости   составляет  7 500 кд /м2.

Таблица 3.4

Яркость некоторых источников освещения

Важно также понятие светимости M, которая выражает полный световой поток Ф, излучаемый единицей плоской светящейся поверхности по всем направлениям в одну сторону.

ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ светотехники. Существует два вида источников света – это Солнце (естественное освещение) и искусственные источники, созданные человеком.

Психологическое и физиологическое воздействие на человека цветности излучения источников света в значительной степени связано с теми световыми условиями, к которым человечество приспособилось за время своего существования. Световой режим, к которому приспособились люди – это голубое небо, создающее в течение большей части светового дня высокие освещенности, а вечерами и ночами – желто-красный костер, а затем, пришедшие ему на смену, создающие низкие освещенности лампы, аналогичные по цветности. У человека наблюдается более работоспособное состояние днем при свете преимущественно холодных оттенков, а вечером, при теплом красноватом свете низкой освещенности, ему лучше отдыхать. Лампы накаливания дают теплый красновато-желтый цвет и способствуют успокоению и отдыху, люминесцентные лампы, наоборот, создают холодный белый свет, который возбуждает и настраивает на работу.

Рис. Освещение, к которому привык человеческий глаз в процессе эволюции

Таким образом, цветность является важной характеристикой светового излучения. Цветность света того или другого источника зависит от спектрального состава излучаемого им светового потока.

Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света показаны на рис. .

(а) (б)

Рис. Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света: (а) свет от ясного голу­бого неба, среднеднев­ной усредненный солнечный свет, свет лампы накаливания, (б) излучение люминесцентной лампы

Излучение большинства самосветя­щихся источников подчиняется одним и тем же законам, однако для раз­ных тел, в зависимости от их химического состава и физических свойств, нагревание до заданной температуры дает несколько раз­личающиеся спектры излучения. В связи с этим, в качестве эта­лона цветовой температуры использу­ется гипотетическое абсолютно черное тело или излучатель Планка. Это источник, излучение которого зависит только от его температуры, а не от каких-либо других его свойств. Для характеристики цвета излучений было введено понятие цветовой температуры. В зависимости от температуры на­гревания, спектр излучения абсолютно чер­ного тела имеет разную цветность. Цветовая температу­ра – это та температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассмат­риваемое излучение.

Рис. 3.2 Спектральное распределение излучения черного тела в видимом диапазоне в зависимости от температуры

Действительно, при нагревании черного тела его цвет изменяется от теплых оранжево-красных до холодных белых тонов. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина (К). Связь между градусами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина следующая: К = С + 273 .

Цветовая температура для реальных ис­точни­ков света составляет от 2000 до 10000 градусов. Чем ниже цветовая температура, тем цвет­ность источника света находится ближе к красной области спектра, чем выше – к синей.

Несмотря на существующие различия, все другие тела ведут себя при на­грева­нии подобно идеальному черному телу. Именно поэтому использование цветовой температуры в качестве характеристики цветности излучения само­светящихся ис­точников, как природных, так и искусственных, оправдано для боль­шого числа источников. Поскольку спек­тральное распределение излучения, и, соот­ветственно, цветность, реального тела в редких случаях точно совпадает со спек­тральным распределением и цветностью идеально черного тела при данной цвето­вой температуре, при ха­рактеристике излучения реально существующих тел исполь­зуют понятие кор­релированной цветовой температуры (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Линия черного тела на графике цветностей xy МКО 1931 г. и семейство изотем­пературных линий, используемых для определения коррелированной цвето­вой темпера­туры источника по координатам цветности

Она соответствует цветовой темпера­туре, полученной путем определения на равноконтрастном цветовом гра­фике точки на линии черного тела, ближайшей к точке, представляющей собой цветность рассматриваемого источника света.

Цветопередача характеризует влияние спектрального состава источ­ника света на зрительное восприятие цветных объектов, сознательно или бессозна­тельно сравниваемое с восприятием тех же объектов, осве­щенных стандарт­ным источником. Цвет красного автобуса при освещении светом уличной натриевой лампы накаливания воспринимается как тускловато коричневый. Цвет лица при освещении светом ртутной лампы приобретает болезненный зеленоватый оттенок. Обе эти лампы легко узнать по их плохой цветопередаче. Искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета.

Метод оценки^ цветопередающих свойств источников света, рекомендо­ван­ный МКО, предназначен для оценки способности источника придавать предметам их ис­тинный цвет. Веден показатель – индекс цветопередачи, который отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Методика определения индекса цветопередачи­ заключается в вы­числе­нии цветовых координат u, v анализируемого цвето­вого образца при его осве­щении данным источником света, вычислении цве­товых координат u, v образца при его освещении принятым в качестве стан­дартного источника света и определе­нии ΔE – различия между ними в цветовом пространстве W*U*V*. По по­лученным данным определяется ча­стный индекс цветопередачи R_i:

(3.9).

Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи R_a = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значение R_a, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта. Методика МКО 1974 г. рекомендует использовать для вычисления ин­декса цве­топередачи среднее арифметическое из частных индексов цветопе­редачи, опреде­ленных для 14 образцов цвета атласа Манселла по пока­зателю ΔE, рассчитан­ному по координатам цвета образца, освещенного исследуемым источником, и координатам цвета того же образца при выбранном контрольном ос­вещении. Полученная характеристика именуется общим индексом цветопередачи R_A:

(3.10).

Для источников с высокой цветовой температурой истинным считается цвет предмета при дневном освещении. В случае источников с низкой цве­товой тем­пературой истинным считается цвет предмета при освещении лампой накалива­ния. В методе МКО действует условие, что цветность стандартного излучения должна быть одинакова или почти одинакова цветности ис­следуемого излучения. Допуска­ется очень небольшое различие.

Для критической оценки окрашенных объектов потребитель должен вы­брать тот источник, который дает достаточно хорошее приближение к ис­тине. Обычно это означает, что источник должен иметь довольно высокий общий индекс цветопе­редачи МКО (95 и более). Из формул следует, что величина ΔE должна быть порядка одного порога. В некоторых особых слу­чаях для контроля может потре­боваться источник с более высоким индексом цветопередачи и более жесткие до­пуска на фактическое относительное спек­тральное распределение энергии излуче­ния. Такие особые случаи возникают при необходимости проведения критического сравнения метамерных цвето­вых стимулов предметов.

Искусственные источники света. Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов — лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.

В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. Газоразрядные лампы называют люминесцентными, так как изнутри колбы (цилиндры) покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, излучаемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) – разрядные лампы низкого давления – представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет. Два различных типа ЛЛ являются классическим примером компромисса в технике. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 Лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=9098) при меньшей световой отдаче (до 88 Лм/Вт). Одно из главных преимуществ ЛЛ – долговечность (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали самыми распространенными источниками света в офисах предприятий. В странах с мягким климатом ЛЛ широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах.

Светотехника: световой поток, освещенность, яркость

Свет, падающий на поверхность нашей планеты Земля от Солнца, является источником жизни для всех ее живых организмов. Солнечные лучи, распространяясь со скоростью 300000 км/ч., оказывают следующие воздействия на окружающую среду:

• участие в фотосинтезе;
• видимый свет;
• тепло ;
• обеззараживание;
• облучение.

Исходя из этого естественный свет — это лучистая энергия в виде электромагнитных волн, обладающих разными свойствами в зависимости от их общего показателя, которым является длина. Длина излучений измеряется в нанометрах (0,000000001 м) и варьируется для инфракрасных волн от 700 до 10000 нм., видимых человеческому глазу 400-750 нм., ультрафиолетовых — 10-370 нм. и рентгеновских 0,00001-10 нм.

Для человеческого глаза наиболее оптимальной считается длина видимых электромагнитных колебаний от 500 до 600 нм., хуже воспринимаются красные и фиолетовые лучи, а инфракрасные и ультрафиолетовые ощущаются только по нагреву и загару кожного покрова.

С развитием науки и техники человечество научилось создавать искусственные источники всех разновидностей электромагнитных волн, используемых в разных отраслях промышленности и сельского хозяйства и других сферах деятельности. Рассмотрим основные светотехнические понятия, раскрывающие все характеристики источников света.

Что такое световой поток?

Световой поток — это мощность видимого излучения источника электромагнитных волн, которое ощущает человеческий глаз. Обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм).

Поток лучей света, отдаляясь от источника, в пространстве распространяется неравномерно, теряя свою плотность. Эту пространственную лучистую плотность светового потока характеризует такое понятие как сила света I (измеряется в канделах – кд.), которое определяется из отношения светового потока Ф к телесному углу ω.

I=Ф/ω.

Чтобы разобраться, как эти величины взаимосвязаны друг с другом обратимся к рисунку.

Если взять точечный источник света 0, который будет светить в пространстве, то будет находиться внутри освещенного  шара. Теперь представим, что световой поток Ф будет распространяться на выбранный участок сферы площадью S, в результате образуется конус, стороной которого будет являться радиус шара. Этот пространственный угол, являющийся вершиной конуса, и является телесным и определяется, как отношение площади S к квадрату радиуса сферы.

ω=S/R².

Единицей телесного угла является стерадиан (ср), который образует на поверхности светящегося шара площадь, равную по значению квадрату его радиуса.

Освещенность

Освещенность характеризует то, как количественно изменяется плотность светового потока источника света в пространстве, лучи которого падают на любые поверхности, удаленные на разные расстояния от места излучения. Определяется отношением светового потока Ф к освещаемой поверхности S:

Е=Ф/S.

Снова обратимся к рисунку!

Итак, возьмем также точечный источник света  А, сила света I_α  светового потока которого направлена на участок  площадью S какой-либо поверхности. Расстояние между источником света  А и площадью равно l. В итоге образуется конус с наклоном, с углом α между направлением силы света I_α  и стороной конуса и пространственным углом ω. Тогда:

ω=S*cosα/l²  и вычисляем Ф= I_α *S*cosα/l²  .

Определяем освещенность элемента по следующему выражению:

Е= I_α*cosα/l² .

Таким образом, освещенность определяется силой света расстоянием до освещаемой поверхности, т.е. чем дальше находится предмет от источника видимого излучения, тем меньше на него попадает света!

Единица освещенности называется люксом и обозначается как (лк).

Яркость

При попадании светового потока на поверхность какого-либо предмета, то он частично поглощается, а другая его часть отражается, создавая зрительное восприятие этого предмета на расстоянии. Если два освещенных объекта темного и светлого цвета разместить на одном и том же расстоянии от человеческого глаза, то лучше будет виден светлый объект, то есть он лучше отражает световой поток источника света. Для сравнения, где будет светлее, в комнате со светло-зелеными или темно-коричневыми обоями при одинаковой освещенности? Конечно же, в комнате со светло-зеленым покрытием стен.

Таким образом, под яркостью освещаемой поверхности понимают то количество отраженной силы света относительно глаза наблюдателя, которое будет зависеть от окраски и отражающих свойств этой поверхности.

Яркость обозначается буквой L и равна отношению силы света к площади проекции освещаемой поверхности:

 L=I/S.

Как видно из формулы, яркость измеряется в кандела на один квадратный метр (кд/м2).

Данная формула справедлива в том случае, если глаз наблюдателя находится под углом 90 градусов к отражающей поверхности, так как тогда угол между падающим и отражающим углом составит 0 градусов, а cos0=1!

Если освещаемая поверхность будет рассматриваться человеческим глазом под некоторым углом а, то он увидит площадь проекции этой поверхности на плоскость, находящуюся под углом 90° по направлению к  наблюдающему, тогда яркость будет равна:

L=Ia/(S*cosa).

Также термин яркость используется и для источников света, имеющих излучающие поверхности различных форм. Так, например, если взять лампу накаливания с колбой в форме шара, то проекция излучения в пространстве будет в виде круга с площадью πD2/4. Для цилиндрических ламп (газоразрядные) проекция представляет собой множество прямоугольников, которые вычисляются как произведение длины и ширины, а в данном случае умножения диаметра колбы на ее длину.

на Ваш сайт.

Сила света — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Си́ла све́та Iv{\displaystyle I_{v}} — физическая величина, одна из основных световых фотометрических величин^[1]. Характеризует величину световой энергии, переносимой в некотором направлении в единицу времени^[2]. Количественно равна отношению светового потока, распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к этому углу.

Iv=dΦvdΩ.{\displaystyle I_{v}={\frac {d\Phi _{v}}{d\Omega }}.}

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (русское обозначение: кд; международное: cd).

Понятие «сила света» возможно применять лишь для расстояний от источника света, существенно превышающих его линейные размеры^[1].

В системе энергетических фотометрических величин аналогом силы света является сила излучения Ie{\displaystyle I_{e}}. По отношению к силе излучения сила света является редуцированной фотометрической величиной, полученной с использованием значений относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения V(λ){\displaystyle V(\lambda )}^[3]:

Iv=Km⋅∫380 nm780 nmIe,λ(λ)V(λ)dλ,{\displaystyle I_{v}=K_{m}\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}I_{e,\lambda }(\lambda )V(\lambda )d\lambda ,}

где Km{\displaystyle K_{m}} — максимальное значение спектральной световой эффективности монохроматического излучения (фотометрический эквивалент излучения), равное 683 лм/Вт^[4][5], а Ie,λ{\displaystyle I_{e,\lambda }} — спектральная плотность силы излучения, определяемая как отношение величины dIe(λ),{\displaystyle dI_{e}(\lambda ),} приходящейся на малый спектральный интервал, заключённый между λ{\displaystyle \lambda } и λ+dλ,{\displaystyle \lambda +d\lambda ,} к ширине этого интервала:

Ie,λ(λ)=dIe(λ)dλ.{\displaystyle I_{e,\lambda }(\lambda )={\frac {dI_{e}(\lambda )}{d\lambda }}.}

Сила света различных источников: