CC BY
151
благоприятная среда жизнедеятельности человека
Теория светового поля и улучшение условий зрительной работы с объемными объектами различения
А.К. Соловьев
МГСУ
Мысль о том, что световое поле в помещении может иметь свои пространственные характеристики, которые можно измерить и рассчитать, зародилась еще в конце XIX в. [1,2,3]. Вопросами соотношения направленных и рассеянных световых потоков светотехники начали заниматься в 20-х-30-х годах XX века. Основоположником научно обоснованной теории светового поля считается проф. A.A. Гершун. В своей работе «Световое поле» [4] он писал: «Переход от нормирования горизонтальной освещенности, когда все тело распределения освещенности характеризуется одним из его радиусов-векторов, к нормированию пространственной освещенности был бы совершенно аналогичен уже совершившемуся переходу от маркировки ламп по их силе света в горизонтальном направлении к маркировке по световому потоку. Такой переход чрезвычайно целесообразно провести в области регламентирования естественного освещения внутри сооружений».
Переход к нормированию освещения по пространственным характеристикам светового поля до сих пор не осуществлен. Перспективы его лимитируются как недостаточной разработкой проблем пространственной оценки освещения [5], так и отсутствием в нашей стране стандартных приборов для измерения пространственных характеристик светового поля. В Европе и США разработаны стандартные приборы, выпускаемые различными фирмами, позволяющие измерять пространственные характеристики светового поля. На рис.1 показаны измерительные головки, позволяющие измерять среднюю сферическую, среднюю цилиндрическую, среднюю полуцилиндрическую и среднюю полусферическую освещенность, выпускаемые фирмой PRC Krochmann GmbH (ФРГ).
Однако разработка вопросов светового поля как в приложении к искусственному, так и естественному освещению, продолжает оставаться актуальной. Можно привести много примеров, когда для решения каких-либо зрительных задач недостаточно простого повышения горизонтальной освещенности.
Так, например, в 80-х годах автор с группой сотрудников тогда еще МИСИ им.В.В. Куйбышева проводил работу по улучшению световой среды в цехах Майли-Сайского электролампового завода в Киргизии. Нам пришлось столкнуться с проблемой, которая имела место на участке спирализации при работе на автоматах по навивке вольфрамовых спиралей для электроламп, связанной с различением брака. При очень мелком (менее 0,15 мм) шаге спиралей на темном фоне и при среднем контрасте различение брака было невозможно даже при горизонтальной освещенности 2500 лк. Админист-
рация завода продолжала повышать уровни горизонтальной освещенности, увеличивая количество светильников, превратив осветительную установку в сплошной световой потолок над автоматами на высоте 2,5 м над рабочей плоскостью, что создавало тепловой и световой дискомфорт в цехе.
Единственным выходом из создавшегося положения было нахождение нужного соотношения между направленной и диффузной освещенностью, что обеспечило необходимое тенеобразование и позволило обеспечить хорошую видимость объекта различения при уровнях горизонтальной освещенности около 600 лк. Такое соотношение оценивается пространственными характеристиками светового поля.
Приведенный пример показывает, что при улучшении условий зрительной работы использование пространственных характеристик светового поля позволяет значительно сократить энергозатраты на освещение. Однако это относится в основном к искусственному и совмещенному освещению. Вопросы приложения теории светового поля к проектированию естественного освещения нуждаются в подробном анализе.
Впервые вопросы приложения теории светового поля к проектированию естественного освещения были подняты проф. Х.Н. Нуретдиновым. В МГСУ образовалось целое научное направление по использованию теории светового поля для проектирования естественного и совмещенного освещения, внутри которого при консультациях и под руководством автора сформировались как ученые и внесли крупный вклад в разработку этого вопроса кандидаты технических наук В.Т. Иванченко, В.А. Егор-ченков, У.Н. Раджабов, Е.М. Завьялов, С.И. Чико-та, К.А. Хамидов, а также гражданин Вьетнама Чан Динь Бак [6,7,8,9,10,11,12]. Они разработали при-
Рисунок 1. Фотометрические головки для измерения средней сферической освещенности Е^ и пространственной освещенности Е0, средней полусферической освещенности Е2п, цилиндрической освещенности Ez и полуцилиндрической освещенности (Фирма PRC Krochmann Gmbh, Берлин).
благоприятная среда жизнедеятельности человека
ближенные методы расчета пространственных характеристик светового поля в помещениях с различными светопроемами. В.А. Егорченков [7] и Е.М. Завьялов [9] сделали попытки подойти к вопросам проектирования естественного освещения промышленных зданий по пространственным характеристикам светового поля. Е.М. Завьялов впервые с помощью ЭВМ методом конечных световых элементов исследовал влияние отраженных световых потоков от внутренних поверхностей помещения на величину пространственных характеристик естественного освещения в помещениях с фонарями верхнего света. С.И. Чикота также вплотную подошел к методу проектирования верхнего естественного освещения с использованием пространственных характеристик для зданий прокатных цехов с учетом влияния на условия зрительной работы самосветящихся объектов [11].
Все эти работы создали основу знаний, которые позволяют путем обобщения, доработки и упрощения предложить в первом приближении приемлемую для существующей практики систему проектирования естественного освещения, использующую пространственные характеристики в качестве отправной точки для обеспечения наилучших условий зрительной работы при одновременной экономии энергетических ресурсов и капитальных затрат.
I. Общие положения
Световое поле в любой точке пространства характеризуется следующими величинами:
1.1. Пространственная освещенность Ео — сумма нормальных освещенностей в данной точке светового поля. Эта величина предложена в 1916 г. Вебером [1]. Она оценивает насыщенность светом исследуемой точки светового поля.
(1)
где L(e, ф) — яркость излучения в направлении углов е и ф к исследуемой точке поля. е^е ф = sinedädp — элементарный зональный телесный угол, в пределах которого определена яркость излучения.
1.2. Средняя сферическая освещенность Е4п — средняя плотность светового потока на поверхности сферы исчезающе малого диаметра с центром в исследуемой точке поля. Эта величина предложена A.A. Гершуном. Она также оценивает насыщенность светом исследуемой точки и пропорциональна Ео.
Е4п -
1 ф)оОе,ф
1.3. Средняя полусферическая освещенность Е2п
— средняя плотность светового потока на поверхности полусферы исчезающее малого диаметра с центром в исследуемой точке поля. Эта величина также предложена A.A. Гершуном. Она представляет собой среднее значение освещенностей, перпендикулярных к этой полусфере по всем возможным направлениям, лежащим по одну сторону от плоскости основания полусферы.
1.4. Средняя цилиндрическая освещенность Ец
— средняя плотность светового потока на боковой поверхности цилиндра с вертикальной осью, высота и диаметр которого бесконечно малы по сравнению с размером освещаемого пространства. Эта величина предложена М.М. Епанешниковым [13].
Eö -
f ф)
Jn п
sin еаО
е,ф
(3)
1.5. Освещенность плоскости Е — традиционная величина, используемая в современном нормировании.
E -
L Ф)с
;еоП
е,ф
(4)
Все эти интегральные характеристики являются скалярными величинами. При этом пространственная и средняя сферическая освещенности являются функциями точки, т.е. имеют в данной точке в данный момент только одно значение. Средняя полусферическая, средняя цилиндрическая освещенности, а также освещенность плоскости являются функциями не только точки, но и направления, т.е. зависят от положения плоскости основания полусферы, оси цилиндра и от положения плоскости, на которой измеряется плоскостная освещенность.
1.6. Световой вектор е — модуль и направление вектора переноса световой энергии в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению переноса. Эта величина предложена A.A. Гершуном и М.М. Гуревичем [14]. Направление вектора задается азимутом и угловой высотой. Модуль светового вектора равен разности освещенности двух диаметрально противоположных сторон плоскости, перпендикулярных распространению излучения. В данной точке он равен максимальной освещенности минус освещенность плоскости, диаметрально противоположной той, на которой отмечена максимальная освещенность. В черном помещении при расположении всех источников излучения по одну сторону освещаемой плоскости проекция его на нормаль равна освещенности.
(2)
е -
фф)ьО е,ф
(5)
благоприятная среда жизнедеятельности человека
Ортогональные проекции светового вектора на координатные оси ОХ, ОУ и ОХ определяются плоскостными освещенностями на плоскостях УОХ, ХОХ и ХОУ:
£ = Е =
£ = Е =
£ = Е =
]7(9, ф)с°з фуООе ,ф
]7(9, ф)соз ф^оОе,ф ,
(6)
где созф^, созф , созфг— косинусы направляющих углов светового вектора. Модуль светового вектора определяется по формуле:
|£| = Л1£2х +£2у +£2г
(7)
Основной характеристикой светового поля является средняя сферическая освещенность. Среднюю полусферическую освещенность можно применять в тех случаях, когда зрительная работа заключается в различении рельефных деталей на определенно ориентированной рабочей поверхности. Средняя цилиндрическая освещенность, как показали исследования Т.Н. Сидоровой и М.М. Епанеш-никова [13], является лучшей характеристикой насыщенности светом помещений. Поэтому в современных нормах искусственного освещения общественных зданий, в том числе в МГСН 2.06-99, для некоторых помещений эта величина нормируется.
Тенеобразующие свойства светового поля могут оцениваться отношениями различных интегральных характеристик в исследуемой точке:
Е
'4п
Е
2п
4п
Е
2п
Е
и др.
Ц
Чем больше разница сравниваемых величин, тем глубже и резче тени на освещаемых объектах, тем контрастнее освещение. Величина т4п названа проф. М.М. Гуторовым [15] контрастностью освещения. Он установил, что контрастность зависит прежде всего от коэффициентов отражения рельефного объекта и фона. Многократные отражения как в самом рельефном объекте, так и между объектом и фоном, приводят к уменьшению контрастности рельефного объекта по отношению к фону.
В этой же работе проф. М.М. Гуторов установил связь между контрастностью и направлением светового вектора, которое характеризуется горизонтальным (азимутальным) углом в и вертикальным углом 9 (угловая высота) и оказывает большое влияние на видимость рельефных объектов.
В структуре тенеобразования различают собственные и падающие тени [16]. Собственные тени, образующиеся за счет формы объекта и рельефа его поверхностей, при хорошей контрастности между светлой и затененной частями обеспечивают хорошие условия видимости. Падающие тени, как правило, ухудшают условия видимости.
Значение пространственной освещенности, предложенной Арндтом [17], в точках помещения равно сумме двух слагаемых: прямой свет от осветительных установок и светопроемов и отраженный свет, установившийся после многократных отражений от поверхностей интерьера. Под открытым небом это отношение средней сферической освещенности, создаваемой прямыми солнечными лучами, и средней сферической освещенности, создаваемой диффузным светом неба и отражением от земли. По его данным это отношение в природных условиях колеблется от 0,42 до 2,00.
Эту величину он рекомендует обеспечивать внутри помещения. По данным австралийского ученого С.В. Зоколея [18], оптимальными условиями освещения при восприятии человеческого лица большинство людей считает вертикальный угол светового вектора 9 от 15° до 45° и отношение |£|/Е4п в пределах от 1,1 до1,5. Однако для выполнения различных зрительных работ с объемными объектами различения эти значения могут быть совершенно другими.
II. Определение требуемых значений пространственных характеристик светового поля исходя из особенностей объектов различения
Изучение влияния различных компонентов освещения на эффективность зрительной работы проводилось большим числом исследователей. В работе Л.Т. Беловой [19] дан анализ и классификация проводимых исследований, согласно которой все работы сводятся к четырем основным направлениям:
1 .Определение видимости (учитывающей контрастную чувствительность и остроту различения).
2. Определение наивыгоднейших условий освещения (учитывают технико-экономические показатели осветительных установок).
3.Определение скорости и вероятности различения (производительности зрительной работы).
4.Определение зрительной работоспособности и утомления.
Из перечисленных направлений последние два являются наиболее результативными, так как позволяют связать приемы современной психофизики и техники и получать результаты, отвечающие субъективным требованиям работающих. Для использования этих направлений необходимо учиты-
£
£
г
благоприятная среда жизнедеятельности человека
вать особенности производства, включающие физические параметры объектов различения и зрительные задачи производственного процесса. Эти особенности и диктуют выбор того или иного направления, выбор исследуемых характеристик светового поля, а также выбор тест-объектов и конкретной методики проведения эксперимента.
Изучение особенностей производства является первым и очень важным этапом исследований. Оно включает анализ данных лабораторий НОТ, отраслевых НИИ, работавших ранее в этом направлении, а также натурные наблюдения в действующих цехах. Этот анализ и натурные наблюдения имеют целью выявить наиболее трудоемкие с точки зрения зрительной работы технологические операции, характер объектов различения, скорость смены объектов. Все это позволяет выбрать те характеристики светового поля, которые в наибольшей степени характеризуют условия освещения объекта. Ненужные характеристики отбрасываются.
На следующем этапе работы определяется зависимость зрительной работоспособности от величин выбранных характеристик светового поля. Этот этап лучше всего проводить в условиях реального производства непосредственно в цехах. Но для получения воспроизводимых результатов приходится оборудовать в цехе экспериментальное рабочее место, оснащенное осветительной установкой, позволяющей менять значения изучаемых характеристик. Осветительная установка в зависимости от задач эксперимента может включать только искусственные источники света, либо использовать естественное освещение. Специально отобранным наблюдателям предъявляется специально разработанная на основе изучения технологического процесса
модель (тест-объект), которая должна отражать не только параметры и виды объекта различения, но и характеризовать зрительные задачи. При разработке тест-объектов следует учитывать рекомендации специалистов-технологов.
В связи с большим количеством факторов, влияющих на исследуемые величины, исследования необходимо строить на основе планирования эксперимента. Программа исследований была разработана в содружестве с учеными лаборатории психофизических и психологических измерений Института психологии Академии наук, с которой МГСУ (МИСИ) заключил договор о содружестве. Программа опубликована в журнале «Светотехника» [20]. Более подробно методика опубликована в журнале «Licht» (ФРГ) [21].
При выполнении научно-исследовательских работ по улучшению световой среды на различных предприятиях аспирантами кафедры архитектуры МИСИ-МГСУ, теперь — кандидатами технических наук, под руководством автора и проф. Кондра-тенкова А.Н. были получены оптимизированные значения пространственных характеристик светового поля для различных отраслей промышленности. Эти значения приведены в таблице 1.
Имеющиеся результаты (таблица 1) еще не позволяют делать глобальные обобщения, однако они позволяют провести качественный анализ влияния отдельных пространственных характеристик на условия зрительной работы при различной величине и характере объектов различения.
Данные В.Т. Иванченко, полученные для приборостроительной промышленности, имеющей наименьшие объекты различения из тех, что были исследованы, говорят о том, что с уменьшением уг-
Объект исследований Иванченков В.Т Егорченков В. А. Раджабо У.Н. Завьялов Е.М. Хамидов К.А.*
Сетка С-О.25 Сетка С-О.32
£4тт, л.к. 526-632 280 271 260 280
£ , л.к. 1000-1200 560 491 452 450
т 1,9 2,0 1,81 1,75 1,2
ß, град. 90 228 120(240) 118(242)** 142(225)
0, град. 25 47 49 58 51(30)
Промыщ-ленность Приборостроительная Электроламповая Метизное производство Швейная
Модель Куб с винтами, резьба винтов Спираль накаливания, шаг спирали Рамка с сеткой Строчки на ленте материи
* Данные К.А. Хамидова относятся к измерениям средней полусферической освещенности и не могут служить объектами сравнения, однако они могут бать использованы для анализа.
** В скобках указаны дополнительные благоприятные уровни угловых параметров светового вектора.
Таблица 1. Экспериментально оптимизированные значения пространственных характеристик светового поля для различных отраслей промышленности.
благоприятная среда жизнедеятельности человека
ловых размеров объекта требуемая величина средней сферической освещенности возрастает. Значения контрастности освещения, однако, остаются в тех же пределах, что и для более крупных объектов, как, например, в исследованиях В.А. Егорчен-кова и Е.М. Завьялова. Это объясняется тем, что контрастность в наибольшей степени влияет на образование собственных теней при определенной высоте углового вектора. При уменьшении угловой высоты от объектов различения больших размеров появляются падающие тени, которые ухудшают видимость объекта, сливают его с фоном, размывают его очертания. Увеличение контрастности повышает глубину этих теней, ухудшает различение границы собственной и падающей тени. В случае объектов с меньшими угловыми размерами требуемая угловая высота светового вектора по этой же причине меньше, чем при больших угловых размерах. Это четко прослеживается на примере данных, приведенных в таблице 1. Из этой таблицы, а также из анализа математических моделей корреляции параметров, составленных в ходе проведения экспериментов, видно, что уменьшение точности зрительной работы ведет к снижению требуемых значений Е4п при незначительном изменении требуемой величины т. Требуемая угловая высота светового вектора, наоборот, возрастает. Азимут светового вектора остается практически без изменений.
Описанная выше обобщенная методика позволяет определять требуемые значения пространственных характеристик светового поля для конкретных зрительных работ. Таким образом, она может служить основой методики отраслевого нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поля для производств с объемными объектами различения. Следует отметить, что большинство технологических процессов имеют объемные объекты различения. Практически исключение составляет только канцелярская и чертежная работа, связанная с различением написанного или напечатанного текста, а также линий различной толщины на чертежах. Утверждение о том, что для таких зрительных задач горизонтальная освещенность является единственной и наиболее адэкватной характеристикой условий видимости, подвергается сомнению. В США, в отличие от большинства стран мира, для нормирования освещения в административно-конторских зданиях применяется величина, называемая эквивалентной сферической освещенностью [22]. Эта величина учитывает влияние вуалирующих отражений от написанного и печатного текста, снижающих контрастную чувствительность глаза. Таким образом, эта величина учитывает направление светового вектора и является практически еще бо-
лее приближенной к общему ряду пространственных характеристик светового поля.
Исследование этого явления в МГСУ не проводилось. Однако можно отметить, что рассуждения о том, что для одних объектов необходима для нормирования горизонтальная освещенность, а для других — пространственные характеристики, и это приведет к усложнению нормирования, в целом не имеют почвы. Все дело в том, чтобы разработать достаточно простой и эффективный способ проектирования искусственного, естественного и совмещенного освещения по пространственным характеристикам светового поля, где горизонтальная освещенность является только одной из таких характеристик.
Список литературы
1. L. Weber. Jntensitaetsmessung des diffusen Tageslichtes, Ann. Physik 26 (1885), s. 374-389.
2. R. Mehmke. Ueber die mathematische Bestimmung
der Helligkeit in Raeumen mit Tagesbeleuchtung, insbesondere gemaeldesaelen mit Deckenlicht. Zeitschrift fur Math und Physik 43 (1898), s. 41-57.
3. R.A. Herman. A treatise on geometrical optics.
Cambridge. Univ. Press. 1900. Kap.9.
4. Гершун A.A. Световое поле. — В кн.: Избран-
ные труды по фотометрии и светотехнике. — М.: Физматгиз, 1958. С. 223-397.
5. Мешков В.В. Осветительные установки. Основы
нормирования, проектирования и расчета. М.: Госэнергоиздат, 1947. С. 460.
6. Соловьев A.K., Иванченко В.Т. Оценка качества
освещения с боковыми светопроемами соотношением модуля светового вектора к средней сферической освещенности.// Функциональные и технические проблемы архитектуры: Сб. трудов МИСИ. М. 1977. — Вып. 168. С. 89-95.
7. Егорченков В.А. Эффективность систем комби-
нированного естественного освещения производственных зданий и ее оценка с использованием пространственных характеристик светового поля. — Дис. канд.техн.наук. — М. 1982. 205 с.
8. Раджабов У.Н. Создание световой среды в мно-
гоэтажных промышленных зданиях по пространственным характеристикам светового поля. — Дис. канд.техн.наук. — М. 1983. 200 с.
9. Завьялов Е.М. Совершенствование систем есте-
ственного освещения производственных зданий метизной промышленности (на основе пространственных характеристик светового поля). — Дис. канд.техн.наук. — М. 1989. 245с.
10. Чикота С.И. Совершенствование естественного освещения зданий горячих цехов металлургичес-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
ких предприятий (на примере листопрокатных цехов). — Дис. канд.техн.наук. — М. 1985. 235 с.
11. Хамидов К. А. Совершенствование естественного освещения в производственных зданиях с использованием пространственных характеристик светового поля (на примере предприятий швейной промышленности). — Дис. канд.техн.наук. — М. 1988. 175 с.
12. Чан Динь Бак. Пространственная оценка естественного освещения в промышленных зданиях с боковыми светопроемами. — Дис.канд.техн. наук. — М. 1988. 146 с.
13. Епанешников М.М., Сидорова Т.Н. Оценка насыщенности светом помещений общественных зданий. — Светотехника. 1965, вып. 1. С. 11-15.
14. Мешков В.В. Основы светотехники. / / Учебное пособие для вузов. Ч. 1. — М.: Энергия. 1979. 368 с.
15. Гуторов М.М. Тенеобразующие свойства светового поля. — В кН.: Научные труды/Московский энергетический институт. Вып. XIII. — М. 1953. С. 76-83.
16. Кнорринг Г.М. Осветительные установки. — Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение. 1981. 288 с.
17. Arndt W. Raumbeleuchtungstechnik. — Berlin. 1931. 107 s.
18. Зоколей C.B. Архитектурное проектирование, эксплуатация объектов, их связь с окружающей средой. Перевод с англ. — М.: Стройиздат. 1984. 670 с.
19. Белова Л.Т. О выборе критерия нормирования освещенности промышленных предприятий./ / Светотехника. 1958. вып. 6. С. 1-7.
20. Кондратенков А.Н., Соловьев А.К., Хамидов К.А. Оценка световой среды производственных помещений по характеристикам светового поля. // Светотехника. 1987. вып. 4. С. 3-5.
21. Alexei K. Solovev. Die Anwendung der Lichtfeldtheorie bei der Projektierung der Beleuchtung von Arbeitsstaetten. // Licht. №5. 1996.
22. P.R. Boyce. Js equivalent sphere illuminance the future? / / Lighting Research and Technology. 1978. V.10, №4. P. 179-183.
