مهندسی روشنایی

نوشته شده توسط الیکا الکتریک 1397/07/25 23:29:35 0 نظرات روشنایی,

مهندسی روشنایی

 امروزه روشنایی یکی از عوامل فیزیکی مهم در فضاهای مسکونی، اداری و محیط های صنعتی بوده و از اهمیت خاصی برخوردار است. تجربه و تحقیقات نشان می دهد در صورتی که یک سیستم روشنایی به خوبی طراحی و اجرا شده باشد می تواند اثر مفیدی را روی زندگی روزمره، افزایش کارایی و بهبود کیفیت محصول تولیدی داشته باشد. از طرف دیگر، موضوع روشنایی از جنبه های مختلف بهداشتی ، اقتصادی، ایمنی و زیبایی نیز دارای اهمیت به سزایی است. یک روشنایی با کیفیت مناسب و مطلوب می تواند از خستگی چشم و عوارضی ناشی از آن جلوگیری کرده و همچنین هزینۀ برق مصرفی را کاهش دهد. علاوه بر این موارد اگر چیدمان و آرایش چراغ ها و انتخاب مناسب لامپ بر پایۀ بهینه سازی سیستم روشنایی باشد، می تواند از اتلاف و اسراف انرژی هم جلوگیری کند. بر پایۀ توضیحات ارائه شده می توان این نتیجه گیری نسبی را داشت که در محاسبات روشنایی می بایست به عوامل گوناگونی توجه کرد.

 

منابع تولید نور

طبق نظریه پلانک، برای اینکه از اجسام مختلف نور ساطع شود، لازم است که مقدار معینی انرژی به آن ها داده شود تا بتوانند نور را به صورت بسته های انرژی ساطع کنند. در عمل، این انرژی به سه طریق به اجسام داده می شود که عبارتند از :

1.ایجاد نور در اثر حرارت: اصلی ترین و بزرگترین منبع نوری که تاکنون شناخته شده است، خورشید می باشد. نوری که از خورشید به زمین می رسد در  اثر حرارت ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی است. لامپ های رشته ای و لامپ های هالوژن نیز بر همین اساس، نور تولید می کنند. در این لامپ ها در اثر عبور جریان الکتریکی، رشته ی فیلامان از جنس تنگستن گداخته شده و در اثر حرارت ایجاد شده، ملتهب می گردد و نور را ساطع می کند.

2.ایجاد نور در اثر تخلیۀ الکتریکی در گاز: در اطراف هسته ی هر اتمی، الکترون ها در ترازهای معینی از انرژی در حال گردش هستند. چنانچه به هر دلیلی به این الکترون ها انرژی داده شود (نظیر گرما یا اختلاف پتانسیل الکتریکی)، الکترون ها از تراز اصلی خود خارج شده و به تراز با سطح انرژی بالاتر می روند. حال چنانچه منبع انرژی برداشته شود، این الکترون ها دوباره به مدار اصلی خود باز می گردند و در این بازگشت، انرژی دریافت شده در مرحلۀ قبل را به صورت نور آزاد می کنند. به این ترتیب تخلیۀ الکتریکی در گاز می تواند باعث تولید نور شود. لامپ های تخلیه در گاز در حدود سال 1950 معرفی شدند. این لامپ ها به طور عمومی از یک حباب شیشه ای مقاوم در برابر حرارت تشکیل شده اند که هوای آن تخلیه شده و با فشار معینی از گاز بی اثر (مانند نئون یا آرگون) به همراه مقداری فلز تبخیر شونده (مانند جیوه یا سدیم) جایگزین شده است. اعمال ولتاژ به الکترودهای دو طرف حباب باعث تبخیر فلز و تحریک آن می گردد. این عمل باعث تابش طیف الکترومغناطیسی در محدودۀ نور مرئی یا ماورای بنفش می شود که در نهایت به نور مرئی تبدیل می گردد.

لامپ های تخلیه در گاز شامل گروه های زیر هستند:

  • لامپ فلورسنت
  • لامپ گازی سدیمی فشار پایین و فشار بالا
  • لامپ گازی جیوه ای فشار بالا
  • لامپ بدون الکترود
  • لامپ متال هالید
  • لامپ قوس الکتریکی
  • لامپ فلاشی

3.ایجاد نور در اثر تشعشع کریستال ها: عبور جریان الکتریکی در نیمه هادی ها خود به خود باعث تحریک الکترون ها و رفتن آن ها به تراز بالاتر و در نهایت انتشار نور می شود.

بر این اساس انواع لامپ ها را میتوان در سه دسته ی زیر تقسیم نمود:

  1. لامپ رشته ای یا التهابی
  2. لامپ تخلیه در گاز
  3. لامپ دیودی

 

منحنی پخش نور

اکثراً منابع نوری، منابع نقطه ای نیستند؛ پس شدت نور یکنواختی در جهات مختلف ندارند. نحوۀ توزیع شدت نور یک منبع برای محاسبات روشنایی اهمیت دارد و معمولاً توسط شرکت سازنده لامپ و چراغ اندازه گیری می شود و به عنوان منحنی پخش نور داده می شود. برای نمایش منحنی پخش نور روش های مختلفی وجود دارد که یکی از معمول ترین روش ها، منحنی های قطبی است. شدت نور بسیاری از چراغ ها دارای تقارن حول محور عمودی چراغ است و برای نمایش پخش نور تنها یک منحنی در یکی از صفحات قائم کافیست.

در منحنی شکل زاویه از محور قائم که از چراغ می گذرد اندازه گیری می شود و در هر زاویه، فاصلۀ شعاعی منحنی از محل چراغ، شدت نور در آن زاویه را مشخص می کند. در این شکل، نور چراغ A (منحنی پایین) تا زاویۀ 35 درجه حول محور قائم محدود است و حداکثر شدت نور آن نیز حدود 675 کاندلا (در زوایۀ صفر درجه) است. نور چراغ B (منحنی بالایی) در اطراف خط افق نیز متمرکز است و حداکثر شدت نور آن 170 کاندلا است. شار نوری چراغ A خیلی بیشتر از چراغ B به نظر می رسد که واقعیت ندارد و این یکی از عیوب منحنی های قطبی است. عیب دیگر آن، این است که در زوایایی که شدت نور، تغییرات سریع دارد، این منحنی دقت کافی به دست نمی دهد. علی رغم این معایب، استفاده از منحنی های قطبی معمول ترین روش برای نشان دادن توزیع نور است. برای چراغ هایی که تقارن محوری ندارند، دو یا چند منحنی قطبی ترسیم می شود. برای چراغ هایی که شعاع نوری خیلی متمرکزی دارند با توجه به اینکه بسیاری از لامپ ها با شار نوری متفاوت، دارای توزیع شدت نور مشابه هستند، منحنی های توزیع شدت نور غالباً برای شار نوری 1000 لومن ترسیم می شود. لذا برای یافتن توزیع واقعی، نسبت شار نوری لامپ به 1000 لومن در مقادیر منحنی ضرب می شود.

                                     

                                                                                    

                                                                                  منحنی قطبی پخش نور

 

برای تعیین توان نوری (شدت نور) ساطع شده از هر چراغ، روش های استانداردی وجود دارد که سازندگان موظفند بر اساس آن، مشخصات فنی چراغ را تعیین و ارائه نمایند. به عنوان مثال برای منابع نقطه ای، روشی ارائه شده که در آن برای 90 درجه از یک نیم صفحۀ قائم، در جهت تقارن منحنی پخش نور چراغ، ضرایبی تعیین شده است که با اندازه گیری شدت روشنایی در فاصلۀ معین از آن، در گام های 10 درجه ای انجام شده و به کاندلا تبدیل می شود. در ادامه با ضرب مقادیر اندازه گیری شده در ضرایب زاویه ای متناظر، حاصل جمع آن ها در دو ضرب شده که به عنوان شدت نور کل چراغ منظور می شود. جدول 1، نمونه ای از این ضرایب ناحیه ای را نشان می دهد.

 

                                                                                                                                جدول 1. ضریب ناحیه برای نسبت های 10 درجه یک منبع نقطه ای

زاویه

ضریب

زاویه

ضریب

5

0.0955

55

0.8972

15

0.2835

65

0.9926

25

0.4629

75

1.0579

35

0.6282

85

1.0911

45

0.7744

 

 

 

                            

 

طیف امواج الکترومغناطیسی و نور مرئی

اصطلاحاً به طبقه بندی تشعشعات نوری که بر مبنای طول موج یا فرکانس بیان شده باشد، طیف گفته می شود. به طور کلی تشعشعات نوری که در محیط وجود دارند به دو گروه نور مرئی و نور نامرئی تقسیم می شوند. به تشعشعی که به وسیلۀ چشم به صورت نور احساس شود، نور مرئی و بالطبع تشعشعاتی که احساس نشود را نور نامرئی می گویند.

 

ماهیت نور

نور، بخشی از طیف  امواج الکترومغناطیسی است که در برخورد با سلول های گیرندۀ شبکیۀ چشم انسان دریافت شده و پس از ارسال به مغز، کمیت و طیف آن درک می گردد. طیف دریافت شده از محیط بر مبنای خصوصیات آن در مغز به صورت نور، رنگ یا شیء درک می گردد.

از نظر فیزیولوژیک، برای یک فرد سالم، امواج نورانی در محدودۀ 380 تا 780 نانومتر به صورت طیف رنگی قابل رویت می باشد که از نور بنفش شروع شده و به نور قرمز تیره ختم می گردد. طول موج های قبل و بعد از آن، امواج نامرئی هستند و با نام فرابنفش و مادون قرمز نامیده شده اند.

 

الف) طیف مرئی: 

در بخش های مرئی از طیف امواج الکترومغناطیسی، معمولاً پنج رنگ پایه در نظر گرفته می شود. این پنج رنگ، قرمز، زرد، سبز، آبی و بنفش می باشد. همانطور که در شکل نشان داده شده است این رنگ ها مرز مشخصی نداشته و به هم آمیخته شده اند. محدودۀ طول موج نورهای مرئی 380 تا 780 نانومتر است که با کاهش طول موج از 780 نانومتر، به ترتیب رنگ های قرمز، زرد، سبز، آبی و بنفش توسط چشم احساس می شود.

 

                          

ب) تابش فرابنفش: 

تابش فرابنفش، به اشتباه نور فرابنفش گفته می شود. طیف این نور کمتر از تابش فرابنفش است. کمیتۀ بین المللی CIE تابش فرابنفش را به بخش های زیر تقسیم بندی کرده است: (400-315 نانومتر) UV-A ،315-280)  نانومتر( UV-B و (280-100  نانومتر) UV-C. بخش UV-A، بیشترین نوع رایج تابش فرابنفش، اندکی با کوتاهترین طول موج بخش مرئی طیف اشتراک دارد. بخش UV-B، بیشترین تابش مخرب UV از نور خورشید است. زیرا این طیف می تواند از اتمسفر زمین عبور کرده و به بافت های زیستی صدمه بزند. تابش طیف UV-C از نور خورشید اگر به زمین برسد، به نسبت سایر طیف های UV آثار بسیار مخرب تری دارد. اما از آنجایی که این طیف توسط هوا جذب می شود هیچگاه به سطح زمین نمی رسد. این طول موج ها کمتر از 180 نانومتر را اصطلاحاً ناحیۀ تابش خلأ می گویند.

 

ج) تابش مادون قرمز: 

طول موج تابش مادون قرمز اندکی بزرگتر از طول موج نور مرئی است و طول موج های بزرگتر از یک میلیمتر را اشغال می کند. کمیتۀ CIE ناحیۀمادون قرمز از طیف امواج الکترومغناطیس را به سه قسمت تقسیم کرده است:

IR-C  ) 3000-106 نانومتر ،IR-B  300-1400)  نانومتر(  ، IR-A  780-1400) نانومتر(

مطالعات نشان داده است که همۀ افراد درک یکسانی از طیف نور دریافتی ندارند. حدود 8% از مردان و 5% از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود 0.003%  نیز قادر به درک هیچ طیف رنگی نیستند. بسیاری از افراد نیز به دلیل عیوب انکساری قادر به درک واضح تصاویر نیستند. از طرف دیگر، دید نزدیک در افراد مسن دچار مشکل می گردد و برخی افراد نیز به دلیل بیماری یا فقر ویتامین دارای درکی واضح از طیف رسیده به چشم خود نیستند.

 

ارسال نظر