Основные светотехнические величины

 

Свет – это видимое электромагнитное излучение в диапазоне длин волн 380 – 760 нм, которое, попадая на сетчатку глаза, вызывает зрительное ощущение.

Освещение производственных помещений характеризуется количественными и качественными показателями.

Количественные показатели

Световой поток F характеризует мощность светового излучения. Единица измерения – люмен (лм). Измерение основано на зрительном восприятии.

Сила света I – световой поток dF, распространяющийся внутри телесного угла dW:

I = dF / dW. (5.1)

Единица измерения – кандела (кд).

Яркость L – отношение силы света dI, излучаемого в рассматриваемом направлении, к площади освещенной поверхности dS:

L = dI / dS cos α, (5.2)

где α – угол между нормалью к элементу поверхности dS и направлением, для которого рассчитывается яркость. Единица измерения – кандела на квадратный метр (кд/м²).

Освещенность E – отношение светового потока d F, падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента dS:

E = dF / dS. (5.3)

Единица измерения – люкс (лк).

Качественные показатели

Фон – поверхность, непосредственно прилегающая к объекту различения. Фон характеризуется коэффициентом отражения ρ и считается светлым при ρ > 0,4; средним – при ρ = 0,2 – 0,4 и темным, если ρ < 0,2.

Контраст объекта различения с фоном K характеризуется соотношением яркостей фона и объекта:

K = (L_О – L_Ф) / L_Ф, (5.4)

где L_О и L_Ф – соответственно яркости объекта и фона. Контраст считается малым при К < 0,2, средним – при 0,2 ≤ К ≤ 0,5, большим – при К > 0,5.

Блескость – повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительных функций, т. е. ухудшение видимости объектов.

Видимость V характеризует способность глаза воспринимать объект:

V = K / K_пор, (5.5)

где K – контраст между объектом и фоном; K_пор – пороговый контраст – это контраст, когда объект едва различим на фоне.

Коэффициент пульсации K_п – оценка относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источника света при питании его переменным током:

K_п = (E_max – E_min) ּ 100 / (2 ּ E_ср), (5.6)

где E_max, E_min, E_ср – соответственно максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период ее колебаний.

Показатель ослепленности P – критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой.

P = (V₁ / V₂ – 1) ּ 1000, (5.7)

где V₁, V₂ – соответственно видимость при экранировании и при наличии блестких источников в поле зрения.

 

Требования, предъявляемые к освещению. С целью обеспечения комфортности и безопасности человеческого организма в среде обитания к освещению предъявляются определенные требования.

1. Освещенность на рабочем месте должна соответствовать характеру зрительной работы, который определяется следующими тремя параметрами:

- размер объекта различения;

- фон;

- контраст объекта различения с фоном.

2. Яркость объекта и фона не должны отличаться более чем в 3 – 5 раз.

3. Не должно быть резких теней на рабочем месте.

4. Освещенность должна быть постоянной во времени.

5. В поле зрения должна отсутствовать прямая и отраженная блесткость.

6. Световой поток должен быть рационально направлен.

7. На рабочем месте должен быть обеспечен необходимый спектральный состав.

8. Осветительные установки должны быть безопасны и просты в эксплуатации, а также соответствовать нормам эстетики.

 

Виды и системы освещения. Требования к рабочему освещению. Нормирование освещения

 

Классификация систем освещения

В зависимости от источника света освещение бывает естественным, искусственным и совмещенным.

Источник естественного (дневного) света – поток лучистой энергии солнца, доходящий до земной поверхности в виде прямого и рассеянного света. Естественное освещение является наиболее гигиеничным. Если по условиям зрительной работы оно оказывается недостаточным, то используют совмещенное освещение.

По конструктивному исполнению системы естественного освещения бывают боковые, верхние и комбинированные.

Система искусственного освещения может быть: общей, когда светильники размещены в верхней части помещения, и комбинированной, когда к общему освещению добавляется местное, причем общее освещение в системе комбинированного должно составлять не менее 10 % и не менее 200 лк при газоразрядных лампах или 75 лк при лампах накаливания. Местное освещение самостоятельно от общего не применяется.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на следующие виды: рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное, дежурное, эритемное, бактерицидное.

Рабочее освещение обязательно во всех помещениях и на освещаемых территориях для обеспечения нормальной работы и движения транспорта. Оно обеспечивает нормируемое освещение на рабочих местах.

Аварийное освещение устраивают для продолжения работы, когда прекращение работы при выходе из строя рабочего освещения может вызвать взрыв, пожар, отравление людей, нарушение технологического процесса и т.д. Оно составляет не менее 5 % от рабочего и предусматривается для продолжения работы, когда ее прекращение при выходе из строя рабочего освещения может привести к тяжелым последствиям.

Эвакуационное освещение предназначено для эвакуации людей из производственных помещений при авариях и при отключении рабочего освещения; организуется в местах, опасных для прохода людей: на лестничных клетках, вдоль основных проходов производственных помещений, где работает 50 и более человек. Минимальная освещенность на полу основных проходов и на ступеньках должна быть не менее 0,5 лк.

Охранное и дежурное освещение должно обеспечивать несение дежурства и охраны в помещениях и на территории в нерабочее время.

Эритемное освещение используется для компенсации недостатка солнечного излучения. Оно стимулирует обмен веществ, кровообращение, дыхание и другие функции организма.

Бактерицидное освещение используется для обеззараживания воздуха помещений, например операционных в больницах.

Источники искусственного освещения. В осветительных установках, предназначенных для освещения предприятий, применяют лампы накаливания и газоразрядные лампы.

Лампы накаливания относятся к тепловым источникам света. Нить накала под действием электрического тока нагревается до высокой температуры и излучает поток лучистой энергии. Лампы накаливания имеют низкую стоимость, удобны в эксплуатации, имеют низкую инерционность при включении, надежны при колебаниях напряжения и при различных метеорологических условиях, но имеют и ряд недостатков: малую светоотдачу 7-20 лм/Вт; преобладание в спектре желтых и красных излучений; малый срок службы (до 2000 ч); большой нагрев поверхности (до 140 ⁰С), делающий их пожароопасными.

Галогенные лампы накаливания наряду с вольфрамовой нитью содержат в колбе пары того или иного галогена (например, йода), который повышает температуру накала нити, т.е. светоотдачу, и практически исключает испарение, увеличивая срок службы лампы.

Газоразрядные лампы имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания. Световая отдача их достигает 135 лм/Вт, срок службы – до 10000 ч, температура поверхности при работе 30 – 60 ⁰ С, имеется возможность получения света в любой части спектра. Недостатки газоразрядных ламп: сложность включения в сеть, связанная с необходимостью применения специальных пусковых устройств; длительный период разгорания; зависимость светоотдачи от температуры окружающего воздуха; наличие радиопомех; значительная пульсация светового потока, что ведет к появлению стробоскопического эффекта.

Уменьшение пульсации светового потока достигается включением в разные фазы сети переменного тока трех ламп в светильнике; применением двухламповых светильников с искусственным сдвигом фаз; питанием током повышенной частоты.

Светильник – это световой прибор, состоящий из источников света и осветительной арматуры. Осветительная арматура служит для перераспределения светового потока таким образом, чтобы его основная часть падала на заданную поверхность, обеспечивая защиту глаз человека от ослепления. Кроме того, арматура предохраняет источники света от воздействия среды, от повреждения.

Для люминесцентных ламп применяются преимущественно многоламповые светильники. Это дает возможность использовать специальные схемы включению ламп с целью уменьшения пульсации светового потока.

Нормирование освещения осуществляется по СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».

Искусственное освещение. В действующих нормах установлены количественные величины – минимальная освещенность Е, а также качественные – показатель ослепленности и коэффициент пульсации . Абсолютное значение уровня освещенности нормируется в зависимости от характеристики зрительной работы, которая определяется объектом различения (наименьший размер рассматриваемого предмета, отдельная его часть или дефект, который необходимо различать в процессе работы), характеристикой фона (поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения), контрастом между объектом различения и фоном (соотношение яркостей рассматриваемого объекта и фона), типом источника света и системой освещения. Показатель ослепленности , с целью ограничения слепящего действия светильников общего освещения, не должен превышать 20 – 80 в зависимости от точности зрительных работ и продолжительности пребывания людей в помещении.

Допустимый коэффициент пульсации газоразрядных ламп, питаемых током промышленной частоты 50 Гц, не должен превышать 10 – 20 %.

Естественное освещение. Вследствие непостоянства естественного освещения в течение дня и в различное время года его оценка осуществляется по относительной величине – коэффициенту естественной освещенности КЕО, %. КЕО – это отношение естественной освещенности, создаваемой в заданной точке внутри помещения светом неба , к освещенности горизонтальной поверхности, создаваемой в то же время светом полностью открытого небосвода :

е = (Е_В/Е_Н)ּ100. (5.8)

Нормируемое значение КЕО определяется в зависимости от характеристики зрительной работы и системы освещения. Для учета особенностей светового климата в разных районах Российской Федерации КЕО следует определять по формуле

e_N = e_nּm_N,

где e_N – номер группы обеспеченности естественным светом; e_n – нормированное значение КЕО; m_N – коэффициент светового климата.

N зависит от ориентации световых проемов по сторонам горизонта; m_N зависит от номера группы административного района.

При одностороннем боковом естественном освещении нормируется КЕО в точке, расположенной на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов, на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (как правило, 0,8 м от пола). При верхнем или комбинированном естественном освещении нормируется среднее значение КЕО в точках, расположенных на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности. Первая и последняя точки принимаются на расстоянии 1 м от поверхности стен или перегородок.

Расчет искусственного освещения. При проектировании искусственного освещения решаются следующие задачи: определение системы освещения, выбор типа источников света и типа светильников, расположение светильников и установление мощности источников света. В гигиеническом отношении система общего освещения более совершенна, ибо более равномерно распределяет световую энергию, но система комбинированного освещения (общее и местное освещение) экономичнее.

Для расчета искусственного освещения используется метод светового потока, точечный метод и метод удельной мощности.

Метод светового потока (или метод коэффициента использования светового потока) предназначен для расчета общего равномерного освещения горизонтальных поверхностей.

Метод удельной мощности является упрощенной формой метода светового потока и используется обычно для ориентировочных расчетов.

Точечный метод – универсальный метод, используется для расчетов общего равномерного и локализированного освещения, комбинированного освещения с любым расположением светильников местного освещения.

Указанные методы применимы и для проверочных расчетов, когда при заданной конструкции системы освещения и известных источниках света определяется освещенность в заданной точке и сравнивается с нормативным значением.

Расчет естественного освещения. При расчете естественного освещения проводится предварительный расчет площади световых проемов при боковом освещении или площади световых проемов при верхнем освещении в зависимости от системы освещения.

КЕО может быть рассчитан по экспериментальным данным. Для этого необходимо измерить люксметром освещенность внутри помещения в расчетной точке и одновременно наружную освещенность горизонтальной плоскости, освещаемой всем небосводом.

Измерение освещенности. Для измерения освещенности следует использовать люксметры Ю-116, ТКА-Люкс, Аргус-02, Аргус-07. Они должны иметь свидетельства о метрологической аттестации и поверке. Аттестация люксметров проводится в соответствии с ГОСТ 8.326-89, поверка – в соответствии с ГОСТ 8.023-90.

 

25. Шум. Основные понятия и определения. Действие шума на человека.

Основные понятия и определения. Слуховое восприятие как средство получения информации является для человека вторым по значению (после зрительного) психофизиологическим процессом.

Шум – всякий нежелательный для человека звук. Звуковые волны возбуждают колебания частиц звуковой среды, в результате чего изменяется атмосферное давление.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды и статическим давлением в той же точке, т.е. давление в невозмущённой среде: Р = Р_мг – Р_{ст .}

Звуковое давление – величина знакопеременная. В моменты сгущения (сжатия или уплотнения) частиц среды она положительна; в моменты разрежения – отрицательна.

Органы слуха воспринимают не мгновенное, а среднеквадратичное звуковое давление:

. (6.1)

Время усреднения давления: Т_о = 30 – 100 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии.

Средний поток энергии в точке среды в единицу времени, отнесённый к единице поверхности, нормальной направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (силой звука) в данной точке.

Интенсивность, Вт/м², связана со звуковым давлением зависимостью

(6.2)

где ρ×с – удельное акустическое сопротивление.

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению – до 10⁸ раз, по интенсивности – до 10¹⁶ раз. Оперировать такими цифрами несколько неудобно.

Кроме того, слуховой анализатор подчиняется основному психофизическому закону (Вебера-Фехнера):

,

где Е – интенсивность ощущений; I – интенсивность раздражителя; С и К – некоторые постоянные величины.

Поэтому были введены логарифмические величины уровня звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления, дБ:

, (6.3)

где Р_о = 2×10^-5 Па – пороговое звуковое давление; Р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Уровень интенсивности звука, дБ:

(6.4)

где I – действующая интенсивность звука; I_о = 10^-12 Вт/м² – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (на частоте 1000 Гц).

Величину уровня интенсивности применяют при получении формул акустических расчётов, а уровня звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Интенсивность I_max и величина звукового давления P_max, соответствующие болевому порогу: I_max = 10² Вт/м, P_max = 2×10² Па.

В зависимости от характера спектра шумы бывают тональными (в спектре которых имеются слышимые дискретные тона) и широкополосными (со сплошным спектром шириной более одной октавы).

По временным характеристикам различают:

- постоянный шум – уровень звука изменяется за рабочий день не больше, чем на 5дБА;

- непостоянный шум – уровень звука изменяется за рабочий день больше, чем на 5дБА.

Непостоянный шум делится на колеблющийся во времени, прерывистый (длительность сигнала больше 1 c), импульсный (длительность сигнала меньше 1 с).

По частотным характеристикам различают:

– низкочастотный шум – с частотой до 400 Гц;

– среднечастотный шум – с частотой 400-1000 Гц;

– высокочастотный шум – с частотой от 1000 Гц.

По источнику возникновения различают:

– механический шум – возникающий в результате движения отдельных деталей и узлов оборудования, приборов и аппаратов с неуравновешенными массами;

– аэродинамический шум – возникающий в результате нестационарных процессов в жидкостях или газах;

– электромагнитный шум – возникающий в результате воздействия переменных магнитных сил, которые приводят к колебанию деталей и узлов машин и аппаратов.

Действие шума на организм человека. Ухо человека не одинаково воспринимает звуки различной частоты. Слуховой аппарат человека проявляет наибольшую чувствительность на средних и высоких частотах (800-4000 Гц), а наименьшую – на низких (20-100 Гц). Поэтому звуки, одинаковые по звуковому давлению, но разные по частоте, могут казаться на слух неодинаково громкими.

Проявление вредного воздействия шума на человека весьма разнообразно.

Область слышимости ограничивается не только определёнными частотами (20-20 000 Гц), но и определёнными предельными значениями звуковых давлений и их уровней (рис. 6.4).