اصطلاحات محاسبات روشنایی

 


مطالبی که در این مقاله از سایت elicaelectric.com می خوانید

اهداف این مبحث:

  • شار نوری چیست؟
  • تعریف شدت نور
  • تعریف بهره نوری
  • شدت روشنایی چیست؟
  • ضریب انعكاس چیست؟
  • درخشندگی نور
  • ارزیابی کیفی سیستم روشنایی: فاکتورهای مهم
  • خیرگی
  • محدود کردن خیرگی
  • توزيع مناسب درخشندگی
  • منابع تولید نور

 

  • شار نوری چیست؟

   کل نور خارج شده از یک منبع نوری در واحد زمان در تمام جهات در فضا را شار نوری (Luminous Flux) یا جریان نوری می گویند که با (ɸ) نشان می دهند. واحد شار نوری “لومن” است و با “Lm” نشان داده می شود. شار نوری جزو مشخصات هر لامپ است و توسط شرکت های سازنده لامپ در کاتالوگ محصولات درج می شود. بدیهی است هر چه شار نوري یک لامپ بیشتر باشد لامپ پر نورتر است. شار نوری چند نمونه از لامپ های متداول در (جدول ۱) ارایه شده است.

 

جدول (۱) شار نوری و بهره نوری چند نمونه از لامپ های متداول

بهره نوری (لومن بر وات)

شار نوری (لومن)

نوع لامپ

۱۳٫۶

۱۳۶۰

لامپ رشته ای ۱۰۰ وات

۷۹

۲۸۵۰

لامپ فلورسنت ۳۶ وات معمولی

۵۵

۲۲۰۰۰

لامپ بخار جیوه ۴۰۰ وات

۱۰۸

۲۷۰۰۰

لامپ بخار سدیم ۲۵۰ وات

 

 

  • تعریف شدت نور (Luminous Intensity)

   چنانچه نور منتشر شده از لامپ تحت زاویه معینی هدایت شود، شاخص دیگری به نام شدت نور مورد استفاده قرار می گیرد. شدت نور را با (l) نشان می دهند و واحد آن “کندل” یا “شمع” است که با “cd” نشان می دهند. با توجه به اینکه لامپ های رفلکتوردار نور را در جهت خاصی از فضا منتشر می کنند (نظیر لامپ های هالوژن رفلکتوردار) لذا برای ذکر میزان نور خارج شده از این لامپ ها از واحد کندل استفاده می شود. بنابر این بدیهی است که برای دو لامپ با مشخصات یکسان و کاملاً مشابه که تنها زوایای رفلکتور آنها با یکدیگر متفاوت است، آنکه زاویه رفلکتور آن کوچکتر است شدت نور بیشتری دارد چرا که عملاً كل شار نوری منتشر شده از لامپ در زاویه محدودتری متمرکز می شود و لذا شدت نور بیشتر می شود. به عنوان مثال، شدت نور یک لامپ هالوژن W50 استاندارد با رفلکتور °۳۸ (WFL) برابر ۱۵۰۰ کندل و شدت نور همین لامپ با رفلکتور °۱۰ (SP) برابر ۸۲۰۰ کندل است.

 

 

تعریف بهره نوری (Luminous efficacy)

   این عدد که در واقع نسبت شار نوری خارج شده از لامپ به توان مصرفی آن است، نشان دهنده کارایی و بهره وری لامپ است، هرچه این عدد بالاتر باشد به این معنی است که لامپ با مصرف انرژی کمتر، شار نوری بیشتری تولید می کند و به عبارت دیگر هر چه بهره نوری یک لامپ بیشتر باشد، آن لامپ از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه تر است. بهره نوری را با (ɳ) نشان می دهند و واحد آن لومن بر وات است.

 

 

  •  شدت روشنایی چیست؟ (Iluminance)

   مقدار شار نوری که به واحد سطح می رسد را شدت روشنایی می گویند و با E نشان می دهند. بنابراین تعریف، در حالت دقیق، برای یک سطح، شدت روشنایی (E) را می توان اینگونه تعریف کرد: واحد شدت روشنایی برابر لوکس است. چنانچه فرض کنیم منبع نور و سطح، هیچ یک نسبت به هم از نظر ابعاد برابر بینهایت نیستند، می توان مقدار شدت روشنایی را با مقدار متوسط آن برابر فرض نمود.

   در انجام محاسبات روشنایی ابتدا مقدار شدت روشنایی متوسط مورد نیاز در محیط با توجه به جداول استاندارد مشخص می گردد و براساس شدت روشنایی مورد نیاز و با توجه به نوع لامپ و چراغ انتخاب شده، محاسبات بعدی روشنایی انجام می گیرد. در این جداول شدت روشنایی مورد نیاز در هر فضا براساس نوع فعالیتی که قرار است در آن محیط صورت بگیرد و میزان دقت مورد نیاز، شدت روشنایی مشخص می گردد. به عنوان مثال بر اساس استاندارد شدت روشنایی مورد نیاز برای سالن های تعمیر قطعات کوچک نظیر تعمیر ساعت و … حدود Lux 800 و شدت روشنایی مورد نیاز برای یک دفتر کار Lux500-300 بوده و برای تأمین روشنایی یک انبار کم تردد یا پارکینگ Lux 50 کافی است.

   بنابراین به زبان ساده تر شار نوری میزان نوری است که از لامپ خارج می شود و شدت روشنایی آن میزان از نور است که پس از منتشر شدن توسط لامپ و بازتاب های مختلف در نهایت به سطح می رسد. شدت روشنایی، معمولاً در صفحات افقی و عمودی تعریف می شود. برای اندازه گیری شدت روشنایی از ابزاری به نام لوکس متر استفاده می شود.

 

نمونه ای از لوکس متر

 

 

  • ضریب انعكاس چیست؟ (Reflection Factor)

   نسبت مقدار نوری که از یک سطح بازتابیده می شود، به کل نوری که به آن سطح تابیده می شود را ضریب انعکاس گویند و با ρ نمایش می دهند و بر حسب درصد بیان می شود. ضریب انعکاس سطوح روشن، در حدود  ۸۰-۹۰% وضریب انعکاس سطوح تیره در حدود ۲۰ % است.

 

  • درخشندگی نور (Luminance)

   درخشندگی، در واقع اثر فیزیولوژیکی روشنایی بر روی چشم ما است و در محاسبات روشنایی، به ویژه روشنایی بیرونی و روشنایی خیابان ها اهمیت زیادی دارد.

 


در وبلاگ الیکا الکتریک مطالب مرتبط را دریابید

 

بیشتر بخوانید:

 

محاسبات روشنایی معابر

 


 

   پارامتر درخشندگی، هم برای منابع نور و هم برای سطوح درخشنده که نور را منعکس می کنند تعریف می شود مقدار درخشندگی برای منبع نور و سطوح درخشنده، به دو روش مختلف محاسبه می شود:

 

۱- درخشندگی ناشی از منبع نور

   مقدار درخشندگی منبع نور، بستگی به شدت نور آن منبع در هر زاویه و مساحت آن دارد. بنابراین، چنانچه دو منبع نوری با ابعاد مختلف داشته باشیم که شدت نور یکسانی داشته باشند، منبع نور کوچکتر، درخشنده تر به نظر خواهد رسید.

 

۲- درخشندگی ناشی از سطوح براق

   نور تابیده شده به سطوح مختلف، منعکس شده و به چشم ما تابیده می شود. هر چه این سطوح براق تر باشند، مقدار نور بیشتری به چشم منعکس شده و سطوح براق تر به نظر می رسند. در مورد سطوح روشن شده، میزان نوری که از آن سطح به چشم ما می تابد، با ضریب انعکاس آن سطح و میزان شدت روشنایی آن،متناسب است. بدیهی است هرچه ضریب انعکاس بالاتر باشد، میزان درخشندگی بیشتر خواهد بود.

   در نور پردازی ابنیه تاریخی و محوطه های بیرونی، توصیه می شود، سطح روشن شده دارای درخشندگی یکسانی باشد تا در چشم ناظر به صورت یکسان دیده شود. همچنین در طراحی روشنایی خیابانی، باید توجه کرد که درخشندگی سطح خیابان از سطح معینی بیشتر نشودتا مانع دید رانندگان و کاهش امنیت جاده ها نشود. بنابراین در جداول استاندارد روشنایی خیابانی، محدودیت هایی نیز برای درخشندگی و سطح جاده ها بیان می شود.

 

 

  • ارزیابی کیفی سیستم روشنایی: فاکتورهای مهم

   مواردی که ذکر شد، پارامترهایی هستند که محاسبات روشنایی بر مبنای آنها صورت می گیرد برای اینکه بتوانیم روشنایی یک مجموعه را از نظر کیفی ارزیابی کنیم، باید موارد مختلفی را همزمان با هم در نظر بگیریم. در حالت کلی می توان گفت که انتظارات ما از کارکرد یک سیستم روشنایی برای یک محل شامل سه دسته زیر هستند: 

 

۱- آرامش بصری (Visual Comfort)

   آرامش بصری یعنی اینکه با قرار گرفتن در محیط، احساس خستگی نکنیم. عواملی که در حصول آرامش بصری موثر هستند، عبارتند از نمود رنگ خوب و توزیع یکنواخت درخشندگی.

 

 ٢- کارایی بصری (Visual Performance)

   روشنایی محیط باید به گونه ای باشد که نیازهای چشم انسان برای رویت اشیا تامین گردد، به این معنی که محیط باید به اندازه کافی روشن باشد و عواملی که باعث ایجاد خیرگی می شوند محدود گردد.

 

٣- نمود بصری (Visual Ambience)

   یکی از اهداف ما از قرار دادن سیستم روشنایی در یک محل، به دست آوردن نمود بصری است. منظور از نمود بصری این است که با انتخاب مناسب جهت تابش نور و انتخاب رنگ نور مناسب، اشیا را بتوانیم به صورت سه بعدی تشخیص بدهیم. برای اینکه بتوانیم سیستم روشنایی یک مجموعه را از نظر موارد فوق بررسی کنیم، فاکتورهای مختلفی وجود دارد. 

 


لازم به تاکید است، امروزه بسیاری از نرم افزارهای محاسبات روشنایی، اغلب این پارامترها را محاسبه می کنند.

 


 

خیرگی (Glare)

   خیرگی یکی از عوامل آزاردهنده در روشنایی است که باعث محدود شدن حوزه دید و ایجاد خستگی برای افراد می شود که باید تا آنجا که ممکن است محدود شود. عواملی که می توانند باعث ایجاد خیرگی شوند عبارتند از:

۱- استفاده از چراغ نامناسب

۲- قرار گیری چراغ با پنجره در موقعیت نامناسب

۳- انعكاس بالای سطوح مختلف

   در مورد روشنایی خیابانی، خیرگی می تواند باعث کاهش قدرت دید رانندگان شده و در نتیجه خطرات جانی به دنبال داشته باشد. خیرگی را می توان به دو دسته خیرگی مستقیم (Direct Glare) و خیرگی غیر مستقیم (Indirect Glare) تقسیم بندی کرد. عوامل ایجاد کننده خیرگی مستقیم عبارتند از شکل نامناسب منبع نور و قرار دادن منبع روشنایی در محل نامناسب. برای محدود کردن هرکدام از این دو نوع خیرگی روش هایی توصیه شده است.

 

 

  • محدودکردن خیرگی مستقیم در روشنایی داخلی – روش UGR

   طبق استاندارد، خیرگی ناشی از منابع مختلف روشنایی باید کاهش یابد. میزان خیرگی مستقیم ناشی از منابع نوری در یک اتاق از روشی که آن را Unified Glare Ratio) UGR) می نامند به دست می آید. بر اساس این روش، خیرگی مستقیم ناشی از تک تک منابع روشنایی، به صورت واحد برای نقاط متعدد بررسی می شود. 

 

 

  • محدود کردن خیرگی مستقیم در روشنایی بیرونی روش TI

  خیرگی در روشنایی بیرونی اهمیت بسیار بیشتری دارد. چرا که وجود خیرگی در خیابان می تواند باعث ایجاد خطرات جانی برای رانندگان و عابرین پیاده شود. برای محاسبه مقدار خیرگی در روشنایی خیابانی، از روشی که روش افزایش آستانه (TI:Threshold Increment) نام دارد. مفهوم روش افزایش آستانه، براساس این مفهوم بنا شده است که وجود منابع روشنایی خیره کننده، قدرت تشخیص مانع را برای راننده دشوار می کند. مقدار افزایش آستانه برحسب درصد بیان می شود و حد بالای آن، برای جاده های مختلف توسط استانداردهای روشنایی معابر تعیین می شود. برای اینکه یک شی که در میان جاده قرار دارد، توسط چشم رویت شود، میزان درخشندگی آن با محیط اطراف باید از حد معینی بیشتر باشد. به عبارت دیگر، بین درخشندگی یک شی و درخشندگی محیط اطراف آن، باید مقدار معینی و اختلاف وجود داشته باشد تا بتوان آن را توسط چشم رویت نمود. به این مقدار اصطلاحاً مقدار آستانه می گویند و با L0∆ نشان می دهند.

   اگر درخشندگی متوسط سطح جاده را برابر Lm در نظر بگیریم، وجود یک منبع خیره کننده (نظیر چراغی که در ارتفاع کم نصب شده است و با نور ناشی از چراغ های جلوی یک فروشگاه)، باعث می شود که مقدار درخشندگی متوسط جاده تغییر چندانی نکند ولی مقدار آستانه بینایی افزایش یابد. این نور خیره کننده وارد چشم انسان شده و همانند یک پرده، سطح شبکیه چشم را می پوشاند. در نتیجه مقدار درخشندگی متوسط که توسط چشم رویت می شود، از مقدار Lm به اندازه Ls افزایش یافته و به مقدار Lm + Ls می رسد. در اثر این افزایش، و لازم است مقدار آستانه بینایی، از L0∆ به مقدار  LB∆ برسد. به همین دلیل این اثر را افزایش آستانه نام نهاده اند.

 

  • محدود کردن خیرگی انعکاس یافته

   علاوه بر خیرگی مستقیم، خیرگی انعکاس یافته نیز عامل مزاحمی در محیط های مختلف است. خیرگی انعکاس یافته در اثر انعکاس نور چراغ در صفحه مانیتور و یا در اثر انعکاس نور چراغ در سطوح براق، نظیر ورق های گلاسه و …  پدید می آید. خیرگی انعکاس یافته باعث خستگی زودرس کاربر می شود. در روشنایی خیابانی، با توجه به اینکه ضریب انعکاس سطح آسفالت جاده ها کم است، عموماً از انعکاس نور صرف نظر می شود. با این حال در طراحی روشنایی برای معابری که در اغلب اوقات، شرایط هوا به صورت بارانی است و سطح جاده خیس است، خیرگی انعکاس یافته از سطح جاده نیز می تواند اهمیت پیدا کند.

   برای محدود کردن خیرگی انعکاس یافته بر روی مانیتورها ضمن توجه به موقعیت قرار دادن مبلمان اداری و نیز وضعیت چراغ ها، می توان از فیلترهای مناسب بر روی صفحه مانیتور استفاده کرد.  امروزه اغلب مانیتورها، دارای فیلتر های مناسب هستند که میزان انعکاس نور را تا میزان زیادی کاهش می دهند. خیرگی انعکاس یافته در سطوح کار، توسط یک شاخص به نام شاخص نمود کنتراست یا (Contrast CRF Rendering Factor) تعیین می شود. برای اندازه گیری CRF نرم افزارهای مخصوصی وجود دارد که با توجه به وضعیت اتاق، رنگ سطوح و نوع چراغ به کار رفته در آن، مقدار CRF را محاسبه می کنند.

 

  • توزيع مناسب درخشندگی

   چنانچه بین درخشندگی محیطی که چشم فرد دایماً با آن سر و کار دارد و محیط اطراف آن، اختلاف قابل توجهی وجود داشته باشد، فرد خسته می شود. این موضوع هم در روشنایی داخلی و هم در روشنایی بیرونی (به ویژه محوطه های ورزشی) صادق است. در حالت کلی، توصیه می شود درخشندگی محیط اطراف یک فرد، کمتر از یک سوم درخشندگی سطح کار نباشد. به عنوان مثال، درخشندگی سطح یک میز نباید کمتر از یک سوم درخشندگی ورقه مورد مطالعه یا سطح صفحه کلید کامپیوتر باشد. به طور مشابه، درخشندگی میز نباید بیش از سه برابر درخشندگی دیوارهای اطراف باشد.

   همچنین، در مواردی که بر روی سطح کار، به دلیل انجام کارهای دقیق (نظیر ساعت سازی، مونتاژ برد الکترونیکی و …) لازم است درخشندگی زیادی داشته باشیم، مقدار این درخشندگی، نباید بیش از ده برابر درخشندگی محیط اطراف باشد. از سوی دیگر، در صورتی که بین درخشندگی نقاط مختلف در یک محیط، اختلاف قابل توجهی وجود نداشته باشد، محیط یکنواخت به نظر رسیده و باعث احساس خستگی در فرد می شود .

 


نکته اضافی در وبلاگ الیکا الکتریک

   یک راه حل عملی، برای توزیع مناسب درخشندگی در محیط، استفاده از سطوح با ضریب انعکاس مختلف است. به طور کلی، توصیه می شود رنگ سطوح یک اتاق را با ترتیب زیر انتخاب کنند:

سطح کف: هارمونی رنگهای تیره با ضریب انعکاس %۲۰،

 سطح دیوارها: هارمونی رنگهای متوسط با ضریب انعكاس %۵۰ 

سقف: هارمونی رنگهای روشن، با ضریب انعكاس %۷۰٫


 

  • منابع تولید نور

   طبق نظریه پلانک، برای اینکه از اجسام مختلف، نور ساطع شود، لازم است که مقدار معینی انرژی به آنها 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 و از این سه طریق نور تولید و منتشر می شود که عبارتند از:

 

 ۱- ایجاد نور در اثر حرارت

   اصلی ترین و بزرگترین منبع نوری که تاکنون شناخته شده است خورشید است، نوری که از خورشید منتشر شده و 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 فيلامان تنگستن گداخته شده و در اثر حرارت ایجاد شده ملتهب می گردد و نور ساطع می کند.

 

 ۲- ایجاد نور در اثر تخلیه الکتریکی در گاز 

   در اطراف هسته هر اتمی، الکترون ها، در ترازهای معینی 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 حین این بازگشت انرژی دریافت شده در مرحله قبل را به صورت نور آزاد می کنند، به این ترتیب تخلیه الکتریکی در گاز می تواند باعث تولید نور شود. طبقه بندی لامپ ها از یک منظر براساس نوع گازی است که در آن تخلیه الکتریکی صورت می گیرد. در حال حاضر، گازهای مورد استفاده در ساختمان لامپ برای تخلیه الکتریکی عبارتند از:

   گاز بخار جیوه، گاز بخار سدیم و هالید فلزات مختلف، که براساس این ترکیبات، به ترتیب لامپ های بخار جیوه، لامپ بخار سدیم و لامپ متال هالید تولید می شوند. 

   البته در برخی لامپ های با کاربرد خاص گازهای دیگری استفاده می شود که کاربردهایی غیر از روشنایی عمومی دارند. از یک منظر دیگر، لامپ های مختلف را براساس فشار گاز داخل لامپ، تقسیم بندی می کنند. در مورد لامپ های فلورسنت، تخلیه الکتریکی در بخار جیوه و با فشار کم صورت می گیرد، حال آنکه در یک لامپ متال هالید، تخلیه الکتریکی در گازی با فشار زیاد که به صورت ترکیبی از هالید چند فلز است صورت می گیرد.

 

٣- 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 انتشار نور می شود. امروزه با پیشرفت تکنولوژی تولید LED و تنوع در محصولات آنها رنگ نورهای مختلف و بسیار زیبایی را می توان با استفاده از LED تولید کرد و کاربرد آنها در روشنایی عمومی روز به روز در حال توسعه است.

 

 

 

مقالات مرتبط