При нормировании, расчетах и #проектировании освещения применяется световая система величин. Ниже мы кратко рассмотрим эту систему и ее основные величины, прямо или косвенно применяемые при нормировании, проектировании и строительстве. О том, какие характеристики светотехнических установок нормируются можно посмотреть здесь:
- Ч.1. Освещенность. Особенности нормирования освещения в СП.52.13330.2016.
- Ч.3. Цветовая температура и цветопередача.
- Ч.4. Объединенный показатель дискомфорта UGR.
- Ч.5. Цилиндрическая и полуцилиндрическая освещенность.
- Ч.6. Яркость. Особенности нормирования освещения в СП.52.13330.2016.
- Ч.7. Равномерность освещения. Особенности нормирования освещения в СП.52.13330.2016.
- Ч.8.Коэффициент эксплуатации. Особенности нормирования освещения в СП52.13330.2016
- Ч.9. Энергоэффективность и энергосбережение.
Световая система величин.
Любое физическое тело, имеющее температуру выше асболютного нуля (-273 по Цельсию) испускает электромагнитное излучение. Главное отличие в этом смысле между разными телами заключается в мощности и спектре излучения, которое выдает тело.
С другой стороны, мы видим лишь то электромагнитное излучение, которое воспринимает наш глаз. Иными словами, наш глаз является приемником электромагнитного излучения, таким же как, например, радиоприемник. Физическое отличие в данном случае будет лишь в том спектре, который воспринимает приемник.
Для световой системы величин характеристикой образцового приемника является относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО… (Справочная книга по светотехнике под редакцией Айзенберга 3 издание, стр. 20). Говоря проще, световая система величин приведена к приемнику – некоему усредненному, но тем не менее, человеческому глазу. Соответственно в ней используются не физические величины, такие как джоуль или ватт, а свои собственные - световые.
Световой поток
Световой поток — мощность световой энергии, эффективная величина, измеряемая в люменах:
Ф = dQ/dt
Единица светового потока — люмен (лм); 1 лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела (определение понятия силы света [прим. мое] и канделы будет дано ниже). (там же, стр.23).
Надо отметить, что в открытых энциклопедиях (например, Вики) часто дается другое, эквивалентное этому, определение светового потока. Однако для целей данной статьи приведенное выше определение представляется наиболее удачным, так как оно раскрывает интересующую суть величины – световой поток является эквивалентном мощности в системе световых величин.
Таким образом, световой поток является одной из основных количественных характеристик источника света (лампы и/или светильника) – он характеризует то количество света, которое выдает источник. Оценивая лампу или светильник общего назначения, надо прежде всего оценивать именно их световой поток.
Телесный угол.
Излучение любого источника имеет не только мощность и длину волны, но и направление в пространстве, в котором оно происходит. Иначе говоря, излучение источника распространяется в некотором телесном угле.
Телесный угол Ω — часть пространства, ограниченная незамкнутой поверхностью. Часто используются телесные углы, ограниченные разными коническими поверхностями. Мерой телесного угла с вершиной в центре сферы является отношение плошали сферической поверхности dA, на которую он опирается, к квадрату радиуса сферы г. За единицу телесного угла — стерадиан (ср) — принят центральный телесный угол, вырезающий участок сферы, площадь которого равна квадрату ее радиуса. Элементарный зональный телесный угол dQ. ограничен двумя соосными коническими поверхностями, образующие которых смещены на угол dα:
dQ = dA / r^2 = 2 π sin αdα. (там же, стр.21).
Говоря проще, телесный угол является пространственным аналогом угла на плоскости, известного всем нам со школьных времен.
Сила света.
Сила света точечного источника — пространственная плотность светового потока
I(αβ) = dФ/dΩ
Кандела (кд) — единица силы света (одна из основных единиц системы СИ). Кандела равна силе света, испускаемого в перпендикулярном направлении с площади в 1/600000 м2 черного тела при температуре затвердевания платины Т = 2045 К и давлении 101325 Па. (там же, стр. 23)
Упрощая, сила света – это поток, испускаемый источником в определенном направлении. Из чего следует, что сила света (как и любая сила, впрочем) – величина векторная и может быть различной в зависимости от направления. Например, некорректно говорить о силе света светильника вообще. Если сложить (проинтегрировать) силу света источника по всем направлениям, получим его световой поток.
Кривые силы света (КСС)
С практической точки зрения, светораспределение светового прибора, как правило, характеризуется набором т.н. кривых сил света (КСС) или их табличным представлением. Какие-либо светотехнические расчеты возможны только в том случае, если известны (в том или ином виде) КСС светильника. В всех остальных случаях вместо расчета будет гадание на кофейной гуще.
На практике в каталогах оборудования обычно используется другое изображение КСС:
Освещенность.
Освещенность — плотность светового потока по освещаемой поверхности
dE=dФ/dA; Е ср = Ф/ A
где dE и Eср — освещенность участка поверхности dA и средняя освещенность поверхности А.
За единицу освещенности принят люкс (лк). Освещенность в 1 лк имеет поверхность, на 1 м2 которой падает и равномерно по пей распределяется световой поток в 1 лм. (там же, стр. 23)
Казалось бы, все очень просто. Есть поток источника света, есть поверхность. Взять и поделить поток на площадь поверхности… Однако таким образом можно узнать разве что среднюю освещенность внутренней поверхности сферического коня. И то, если внутри коня вакуум, а его внутренняя поверхность не отражает свет. Например, получить среднюю освещенность в 1 лк от источника в 1 лм, поместив последний во сферического коня с площадью внутренней поверхности 1 м2
Из определения освещенности следует, что она является свойством заданной точки заданной поверхности. Причем совершенно необязательно эта поверхность должна быть плоской. Кроме того, важно понимать, что световой поток в определении – это именно падающий на поверхность световой поток, а не излучаемый неким абстрактным источником света.
На практике нас интересует как получить освещенность в заданной точке на конкретной поверхности. По одному лишь значению светового потока невозможно утверждать какое его количество упадет в заданную точку. Поэтому для расчетов освещенности нам необходимо знать в куда именно и какое количество потока распространяется, т.е. силу света. В этом случае мы можем воспользоваться законами квадрата расстояния и косинусного изменения освещенности:
Освещенность E0 в точке поверхности (расположенной перпендикулярно по отношению к падающим на нес лучам света), обратно пропорциональна квадрату расстояния l от этой точки до источника с силой света I и размером, малым по сравнению с l.
Освещенность Еα (в точке поверхности) при падении световых лучей под углом α с нормалью к поверхности изменяется пропорционально косинусу этого угла. (там же табл. 2.3)
В этом месте становиться понятно, что ни бухгалтерский калькулятор, ни даже метод моментов, для точного расчета освещенности нам не помогут – для того чтобы рассчитать ее, надо знать как минимум направление силы света от каждого источника по направлению к заданной точке, расстояние и угол падения на светового потока на поверхность. Это если источники точечные, что далеко не всегда так. В случае же линейными и площадными источниками (например, квадратами 600х600) мы приходим к необходимости интегрирования по длине или площади да еще и реальных функций. Подробнее о методах расчета освещенности в инженерной практике мы обсудим в следующих постах.
Пока же надо отметить, что освещенность является основной нормируемой характеристикой согласно принятым нормам и правилам в РФ. Причем освещенность нормируется не только горизонтальная (скажем – на поверхности стола), но и вертикальная (например - на поверхности классной доски), а также цилиндрическая и полуцилиндричекая.
Яркость.
Яркость в направлении α тела или участка его поверхности равна отношению силы света в этом направлении к проекции поверхности:
La = dIα/(dAcosα); Lαср = Iα/σ
где Lα и Lαср — яркости участка поверхности dA и поверхности А в направлении α. проекции которых па плоскость, перпендикулярную этому направлению, соответственно равны dA cos α и α; dIα. Iα — соответственно силы света, испускаемые поверхностями dA, и А в направлении α. (там же, стр.24)
Это определение эквивалентно приведенному в СП.52.13330.2016, п.3.115. В практическом смысле, наш глаз как приемник реагирует именно на контраст яркостей в поле зрения. Чем более контрастно изображение, тем меньше усилий надо потратить для его различения. Поэтому, например, чтение текста с бумаги, напечатанного крупными и четкими буквами на белом фоне будет значительно менее утомительными, чем с мелкими, слабо пропечатанными на второсортной желтой бумаге. Однако прочесть их будет невозможно в принципе, если они не будут освещены, т.к. бумага сама по себе не светится.
Также, из определения следует, что яркость - величина векторная, т.е. может быть определена только по отношению к определенному направлению, например к глазу наблюдателя. Соответственно, при перемещении наблюдателя относительно поверхности яркость одной и той же поверхности будет меняться в зависимости от угла зрения. Это должно учитываться при проведении расчетов и нормировании.
Яркость, как и освещенность также является нормируемой величиной (подробнее - здесь), например в #наружном и #архитектурном освещении .
Источники:
СП.52.13330.2016 ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*
Справочная книга по светотехнике под редакцией Ю.Б. Айзенберга 3 изд.
Мешков В. В. Основы светотехники: Учебное пособие для вузов. Ч. 1 - 2-е изд., перераб