Здравствуйте!

В прошлый раз мы разобрались с тем, как можно управлять светом: направлять его в нужные стороны и ограничить там, где он будет лишним. Однако для создания качественного освещения одного умения управлять светом недостаточно. Нужно также разбираться в показателях качества.

Показатели качества — это световые величины. Без их учета невозможно:

• выбрать подходящее световое оборудование;
  
• придумать, где его установить;
  
• проверить, соответствует ли система освещения предъявляемым требованиям.
  
  

В сегодняшнем уроке мы познакомимся с основными световыми величинами. Узнаем, как они связаны друг с другом и чем их измеряют.

Световые величины — это величины, которые описывают свойства света с учетом его способности вызывать у человека зрительные ощущения. К ним относятся:

• световой поток и световая отдача;
  
• сила света;
  
• освещенность;
  
• яркость.
  

Световой поток показывает, сколько света излучает светильник за единицу времени. Измеряется в люменах (лм), обозначается буквой Φ. С помощью светового потока вычисляют световую отдачу источника света.

Световая отдача — это отношение светового потока источника к электроэнергии, которую он потребляет.

Формула вычисления светоотдачи
H = Ф / P

Допустим, лампа накаливания потребляет 20 Вт электроэнергии, чтобы создать световой поток 250 лм. Тогда ее светоотдача вычисляется так: 250 лм / 20 Вт = 12.5 лм/Вт.

Чем выше светоотдача, тем меньше энергии потребляет источник света и тем меньше вы платите за электричество. Например, если заменить лампу накаливания со светоотдачей 7-22 лм/Вт на люминесцентную со светоотдачей 50-90 лм/Вт, то расход электроэнергии уменьшится в 5-6 раз, а уровень освещенности не изменится.

Среднее значение световой отдачи разных ламп:

• лампа накаливания — 10 лм/Вт;
  
• флуоресцентная лампа — 100 лм/Вт;
  
• натриевая лампа низкого давления — 175 лм/Вт;
  
• светодиод — 104 лм/Вт.
  

Сила света показывает, сколько света излучает светильник в определенном направлении за единицу времени. Измеряется в канделах (кд), обозначается буквой I.

Для лучшего понимания представьте кран, из которого течет вода. Если она еле течет, говорят, напор слабый, и наоборот. То же самое и со светом.

Сила света вычисляется так: берут световой поток, идущий в каком-либо направлении, и делят его на телесный угол (ω):

Что такое телесный угол

Телесный угол — часть пространства, которая объединяет все световые лучи, выходящие из заданной точки и пересекающих некоторую поверхность.

Формула вычисления силы света
I = Ф / ω

Освещенность показывает, сколько света падает на определенную площадь за единицу времени. Измеряется в люксах (лк) или люменах на квадратный метр (лм/м²). Обозначается буквой E.

Для лучшего понимания представьте кран, из которого течет свет, и стакан, куда этот свет попадает. Освещенность — это сколько света попадает в стакан за определенное время. Чтобы совсем не оставалось вопросов по поводу значения освещенности, сравните картинки ниже.

Освещенность, создаваемая ясным небом в полдень летнего дня

Освещенность в пасмурный день

Освещенность офисного кабинета, создаваемая искусственным светом и естественным, проникающим из окон

Освещенность, создаваемая луной на ясном небе

Освещенность вычисляется так: берут световой поток и делят его на площадь участка, который он освещает.

Интересный факт, о котором мало кто знает

При разработке освещения для объектов также берется во внимание естественное освещение. Это освещение прямыми солнечными лучами или рассеянным светом небосвода.

Значение освещенности, создаваемой естественным светом, зависит от природных условий, степени облачности и времени года и суток.

Естественная освещенность:

• в ясный день — 100 000 лк;
  
• в пасмурный день — 5 000 лк;
  
• в ясную ночь при полной луне — 0.25 лк.
  

Яркость — отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м²), обозначается буквой L.

Чтобы было понятнее, продолжим аналогию с напором воды. Если подать одинаковый напор воды на кухонный кран и пожарный шланг, то будет казаться, что из крана вода течет сильно, а из шланга — еле-еле.

То же самое и с яркостью. Если у двух светильников одинаковая сила света, ярче будет казаться тот, что меньше.

Оба шара светят с одинаковой силой и создают одинаковую освещенность. Однако шар, который больше, кажется тусклее, потому что светящаяся поверхность у него больше.

Яркости разных участков одного светильника отличаются. Например, люминесцентная лампа тусклее по краям, а пламя свечи ярче в ореоле вокруг фитиля.

Кроме этого, то, насколько ярким будет казаться источник света, зависит от того, с какой стороны на него смотреть. Например, если посмотреть на сварочную дугу перпендикулярно направлению разряда, ее яркость доставит дискомфорт и частично ослепит. А если посмотреть сбоку — яркость будет терпимой.

Из этого следует, что яркость нам нужна для того, чтобы проектировать комфортное освещение, которое не слепит глаза.

Яркость имеют не только светильники и лампы, но и поверхности, которые отражают свет: дорога, стены, потолки, пол, стол и другие освещенные предметы. Их называют вторичными источниками света.

Мы видим предметы благодаря свету, который они отразили в наши глаза. Если бы они не отражали свет, то мы бы их не видели. Вспомните смешные случаи с идеально чистой стеклянной дверью: человек ее не замечал и врезался в нее. А не замечал он ее потому, что она не отражала свет, а пропускала его через себя.

Яркость некоторых первичных и вторичных источников света

• солнце — 1 650 000 000 кд/м²;
  
• нить лампы накаливания — 7 000 000 кд/м²;
  
• ясное небо — 20 000 кд/м²;
  
• люминесцентная лампа — 5000-15000 кд/м²;
  
• письменный стол — 100 кд/м²;
  
• дорожное покрытие — 0.5-2 кд/м².
  

Человеческий глаз воспринимает яркость только видимой области источника света. Видимая область — это проекция источника света на плоскость. Форма этой проекции зависит от того, с какой стороны мы смотрим на предмет:

Представьте, что на картинке выше изображена светящаяся призма. В этом случае вы воспринимаете яркость только тех частей призмы, которые видите. А что это за части и как они выглядят, зависит от того, с какой стороны вы смотрите на призму. То же самое и со светящимся цилиндром:

При выборе светильника важно учитывать не только яркость, указанную в характеристиках, но и субъективную яркость — яркость, которую воспринимает человек. Она зависит от многих обстоятельств, в том числе и от обстановки.

Для примера возьмем серый квадрат, поместим его в темный и светлый фон, а потом посмотрим на него. В результате окажется, что на темном фоне он кажется ярче, чем на светлом:

Яркость одного и того же источника света может казаться разной. И зависит это от фона

Световые величины не живут отдельно друг от друга. Они взаимосвязаны. И это хорошо: если знаешь одну величину, то запросто найдешь остальные. Эта связь описывается формулами. Ниже рассмотрим основные.

Пример:

Φ = 10 000 лм

S = 12 м²

E = 10000 / 12 =833 лк

Эта связь зависит от того, под каким углом к поверхности падает свет.

Когда свет падает на некоторую точку под прямым углом к поверхности, на которой лежит эта точка, освещенность точки рассчитывается по закону обратных квадратов.

Пример:

I = 100 кд

r = 0.5 м

E = 100 / (0.5)² = 400 лк

Интересный факт, о котором мало кто знает

Закон обратных квадратов действует только в случаях, когда рассматриваются точечные источники света. Он подразумевает, что чем дальше источник света от освещаемой поверхности, тем меньше освещенность этой поверхности.

При этом освещенность уменьшается нелинейно расстоянию. Например, если увеличить расстояние между источником и освещаемой поверхностью в два раза, освещенность поверхности уменьшится не в 2 раза, а квадратично расстоянию — то есть в 4 раза.

Освещенность падает квадратично расстоянию от источника света. Об этом необходимо помнить при проектировании освещения

Когда свет падает на некоторую точку не под прямым углом к поверхности, освещенность точки рассчитывается по закону косинусов.

Пример:

I = 1200 кд

r = 3 м

Угол падения γ — 60^о

E = (1200 / 3²) х cos γ = 67 лк

Горизонтальную освещенность некоторой точки обычно рассчитывают для рабочих поверхностей: столешницы рабочего стола, спортивной площадки и т.д.

Световые приборы должны обеспечивать подходящую освещенность не только на горизонтальных поверхностях, но и на вертикальных.

Чтобы рассчитать яркость поверхности, которая отражает свет, освещенность этой поверхности умножают на ее коэффициент отражения (ρ) и делят полученный результат на число «пи».

Пример:

Освещенность листа бумаги — 500 лк

Коэффициент отражения бумаги — 0.7

L = 500 x 0.7 / π = 111 кд/м²

Эта формула применима только к поверхностям, которые создают диффузное отражение.

Как вы помните из прошлого урока, диффузное отражение — это когда лучи света после отражения расходятся в разные стороны, а не в одну. Такое отражение создается на шероховатых поверхностях: бумаге, дорожном покрытии и т.д.

Если светильник распределяет свет равномерно по всем направлениям, то сила света находится так: световой поток умножают на коэффициент пропускания материала, через который проходит свет, и полученный результат делят на 4π.

Пример:

Световой поток лампы накаливания — 1000 лм

Коэффициент пропускания опалового стекла (τ) — 0.9

I = 1000 x 0,9 / 4 π = 72 кд

Представленные формулы необязательно запоминать

Все эти формулы мы показали вам для того, чтобы вы понимали физическую взаимосвязь между световыми величинами.

Зубрить их не надо, потому что все расчеты при проектировании освещения ведутся в специализированных программах, куда уже заложены все эти формулы.

Одна из самых распространенных программ — DIALux.

Когда требуется определить качество освещения, пользуются измерительными приборами. Для каждой световой величины свой прибор. Давайте разберемся, что это за приборы.

Все измерительные приборы устроены одинаково. Их главная деталь — фотоэлемент. Когда на фотоэлемент попадает свет, он создает небольшой электрический ток или меняет его величину. Нынешние фотоэлементы изготавливают из полупроводниковых материалов.

Обычно приборы измеряют освещенность — количество света, попадающего на фотоэлемент. Чтобы узнать другие световые величины, например, световой поток, силу и яркость света, пользуются формулами, о которых мы говорили выше.

Чувствительность фотоэлементов не такая, как у наших глаз. Чтобы к ней приблизиться, фотоэлементы дополняют светофильтрами. Чем больше светофильтров, тем точнее измерения и выше цена прибора.

Обычно этот прибор используют для измерения уровня освещенности определенных мест, например, офисных кабинетов.

Эти приборы используют производители светового оборудования. Их устанавливают в специальных лабораториях. С их помощью измеряют силу света или светораспределение определенной группы светильников с нескольких сторон. В них светильники или система зеркал (или и то и другое вместе) вращаются вокруг фотоэлемента. Если интересно, посмотрите видео, как работает этот прибор.

Прибор работает так: лампу подвешивают в центре пустой сферы и включают, а установленный в специальном отверстии сферы фотоэлемент измеряет освещенность. Затем программа рассчитывает значение светового потока. Стены сферы матово-белые, чтобы идеально рассеивать свет.

Такие приборы состоят из фотоэлемента и оптической системы. Оптическая система проецирует изображение измеряемой поверхности источника света на фотоэлемент. В результате последний получает некоторую освещенность, на ее основе прибор рассчитывает и выдает значение яркости. Часто эти функции совмещают в люксметре.

Спектрометр — самый продвинутый измерительный прибор. Чтобы определить необходимые световые величины существующего или проектируемого освещения, вам не придется везти каждый светильник в лабораторию. Всю необходимую информацию вам предоставит портативный спектрометр.

Характеристики, которые способен определить спектрометр:

• спектральный состав излучения;
  
• уровень мерцания (видимого и невидимого);
  
• силу света, яркость и освещенность;
  
• длину волны и частоту.

Плюс к этому, он может определять качество цвета (о качестве цвета мы подробно расскажем в 6-м уроке).

Итак, сегодня мы узнали, что освещение должно соответствовать определенным показателям качества. Этими показателями являются световые величины.

Теперь, когда вы стали разбираться в световых величинах, вы сможете подобрать подходящее световое оборудование и проверить, соответствует ли ваша система освещения заданным требованиям.

Кем задаются требования к освещению

Показатели качественного освещения устанавливаются государственными и международными стандартами и диктуются назначением и устройством объекта. Это говорит о том, что к освещению учебных классов, коридоров, погрузочных площадок и даже футбольных полей предъявляются разные требования.

Перечень СНиПов, которыми нужно руководствоваться при проектировании

Чтобы закрепить эти знания, кратко повторим все, что мы изучили в этом уроке.

1. Световые величины характеризуют свет с учетом его способности вызывать у человека зрительные ощущения.

2. К световым величинам относятся:

• световой поток показывает, сколько света излучает источник;
  
• световая отдача — сколько электроэнергии понадобится источнику, чтобы давать нужное количество света;
  
• сила света — сколько света излучает источник в одном направлении;
  
• освещенность — сколько света падает на поверхность;
  
• яркость — сила света, поделенная на площадь проекции светящегося участка.

3. Яркость бывает не только расчетной, но и субъективной — такой, какой ее воспринимает наблюдатель. Субъективная яркость зависит от многого, в том числе и от обстановки. Один и тот же источник света может восприниматься как очень яркий и недостаточно яркий в разных помещениях.

4. Световые величины взаимосвязаны. Эта взаимосвязь описывается математическими формулами. Однако их запоминать не нужно, потому что есть специальные программы, куда все эти формулы уже загружены.

5. Для измерения световых величин используют специальные приборы. Все они устроены примерно одинаково. Их основа — фотоэлемент, который определяет освещенность. И уже из освещенности рассчитываются другие величины.

На сегодня все. В следующем уроке поговорим о том, как работает зрение и как оно воспринимает свет.

Это пригодится вам для того, чтобы разрабатывать системы освещения, которые не только обеспечивают хорошую видимость, но и не утомляют зрение, не вредят здоровью, поддерживают работоспособность и помогают расслабиться в зависимости от назначения объекта.

Всегда ваша,
команда Азбуки Света

Отписаться от бесплатного курса по основам света можно здесь