Тищенко - Осветительные установки (1984)

ВВЕДЕНИЕ

В решениях XXVI съезда КПСС большое внимание уделено вопросам повышения производительности труда в общественном производстве, улучшению условий труда и быта трудящихся. Важным аспектом решения этой задачи является создание  эффективной световой среды. Немалое значение имеет искусственное освещение, которое создает возможность нормальной деятельности человека, при отсутствии или недостаточности естественного освещения.

На устройство и эксплуатацию искусственного освещения  затрачиваются значительные материальные средства и большое  количество электроэнергии. Ежегодно у нас в стране на эти цели расходуется не менее 110—120 млрд. кВт-ч электроэнергии. Это составляет около 10—12% всей вырабатываемой электроэнергии. Рациональная организация освещения обеспечивает  количественные и качественные характеристики осветительных установок, значительно повышает производительность труда, улучшает  качество выпускаемой продукции и снижает ее себестоимость. Эффективное решение задач научной организации труда возможно только на основе использования достижений  технических, экономических, медицинских и биологических наук. Одна из актуальных задач, решение которой обеспечивает безопасный труд и повышение работоспособности человека,— рационализация рабочего места и его освещения.

Особенно большое значение имеет освещение на предприятиях, работающих в две или три смены. Соответствующее  выполнение осветительных установок способствует повышению  производительности труда в вечернее и ночное время до уровня  производительности дневных смен. Освещение существенно влияет на центральную нервную систему. Осветительные установки в городах, поселках  городского типа и сельской местности должны обеспечивать не только требование безопасности транспорта и людей, но и являться частью гармонической композиции вечернего облика города. Светотехника тесно связана с искусством, в частности  архитектурой. Создание полноценного произведения искусства  невозможно без знания основ осветительной техники. Единство  архитектурного и светотехнического решений способствует наилучшему восприятию архитектурно-художественного объекта и  обеспечивает выполнение функциональных и технологических требований. Поэтому большое внимание уделяется экономической и  энергетической эффективности осветительных установок. Основными  путями повышения экономичности осветительных установок является повышение эффективности источников света и светильников, применение автоматических устройств для регулирования  искусственного освещения в зависимости от естественного света,  рационализация в проектировании, методах расчета и разработке индустриальных методов монтажа осветительных установок.

Глава 1

УСЛОВИЯ ВИДИМОСТИ ОБЪЕКТОВ

§ 1.1. Глаз и его работа

Основное назначение искусственного освещения состоит в  создании условий, позволяющих глазу человека выполнить необходимую зрительную работу — обнаружить какой-либо предмет,  определить его форму и т. п. Поэтому рациональные осветительные условия и .способы освещения устанавливаются в соответствии со свойствами и характеристиками зрительного аппарата  человека.

Глаз имеет форму, близкую к форме шара (рис. 1.1). Диаметр его у взрослого человека составляет около 24 мм. Снаружи глаз окружен толстой оболочкой склерой /. Передняя часть склеры — роговица прозрачна и выпукла. Мышцы 11 поворачивают глаз в  разные стороны. К склере прилегает сосудистая оболочка 2, служащая для питания глаза. Спереди к  сосудистой оболочке прикреплено  ресничное тело 6. Хрусталик 10 под действием связок 7 прикреплен к  ресничному телу. Хрусталик прозрачен и имеет слоистую структуру.  Непосредственно перед хрусталиком  находится радужная оболочка 8 с  круглым отверстием для зрачка, регулирующего входящий в глаз световой поток. Посредством мускулов ресничного тела и связок выпуклость хрусталика может изменяться. Пространство между хрусталиком и роговицей называется передней камерой глаза. За  хрусталиком находится внутреннее пространство глаза. Передняя камера наполнена прозрачной жидкостью, внутренняя оболочка покрыта изнутри сетчатой оболочкой — ретиной 3, являющейся разрастанием зрительного нерва 5.

Сетчатая оболочка состоит из сложного переплетения  волокон зрительного нерва, связывающего глаз с корой головного мозга. Окончания волокон зрительного нерва  (светочувствительные элементы) поглощают падающий лучистый поток, что  вызывает фотодиссоциацию молекул светочувствительного вещества (фотореагента), заполняющего светочувствительные элементы. Эти элементы в зависимости от их формы и назначения делятся на палочки и колбочки. В центре сетчатки (см. рис. 1.1) находится центральная ямка — так называемое «желтое пятно» 4 овальной формы, в котором колбочек значительно больше, чем палочек, диаметр его около 1 мм. В центральном углублении желтого пятна палочки отсутствуют. Светочувствительное вещество — родопсин, обнаруженное в палочках, обладает высокой чувствительностью к излучениям в видимой области спектра. Поэтому палочки, работающие при низких уровнях яркости, называются  аппаратом ночного зрения. Колбочки, содержащие  светочувствительное вещество, называемое иодопсином, обладающее меньшей чувствительностью к излучениям, работают при относительно высоких уровнях яркости и называются аппаратом дневного зрения. В отличие от палочек, реагирующих только на свет,  колбочки реагируют на свет и цветность. Способность глаза  оценивать излучение по цвету основана на наличии в глазе трех  разновидностей колбочек с неодинаковой избирательной  чувствительностью к однородным излучениям. Превалирующая доля зрительной работы совершается  колбочками, с помощью которых глазом воспринимаются как  ахроматические, так и хроматические ощущения. При наблюдении объектов глаз обегает поле зрения так, чтобы изображения отдельных участков последовательно попадали на центральную ямку. Это  фиксирование производится поворотом обоих глаз до пересечения  зрительных осей на рассматриваемом предмете (конвергенция). В этом случае человек видит предметы отчетливо. Объясняется это тем, что глаз, подобно оптической системе, дает наилучшие изображения для точек, расположенных близко к оптической оси и имеющих более плотное размещение светочувствительных  элементов в этой области сетчатки.

Зрение — сложный процесс. Химические и электрические  явления в сетчатке глаза, передача нервных импульсов по зрительному нерву, деятельность клеток в зрительных зонах мозга — все это составные части процесса, называемого зрением. Различают зрение центральное и, периферическое.  Центральное зрение отличается тем, что позволяет судить о спектральном составе света, а периферическое обладает более высокой (в  тысячи раз) чувствительностью к свету, но меньшей четкостью и  отсутствием возможности различать цвета. Глаз человека представляет собой прототип фотографической камеры. Изображение рассматриваемых предметов проектируется на сетчатую оболочку глаза с помощью хрусталика. Изменение выпуклости хрусталика (аккомодация) дает возможность получить на сетчатке отчетливое изображение предметов, находящихся на различных расстояниях от глаза. Световые лучи, проходя через хрусталик и роговую оболочку глаза, преломляются и создают уменьшенное обратное  изображение рассматриваемого объекта на сетчатке глаза. 

Светочувствительные окончания нервных волокон поглощают падающий на них световой поток, в результате чего в волокнах нерва  возникают импульсные электрические токи, протекающие от сетчатки к коре головного мозга. Освещенность сетчатки, создаваемая отраженным от рассматриваемого предмета светом, определяется яркостью этого предмета по направлению к глазу. Полученное равенство позволяет установить, что освещенность на сетчатке, определяющая зрительное ощущение, зависит от яркости рассматриваемой поверхности и не зависит от расстояния между глазом и рассматриваемой поверхностью (это справедливо, если можно пренебречь поглощением и рассеянием света по пути прохождения световых лучей).

Человеческому глазу присущи дефекты и ограничения,  свойственные всякой оптической системе. Однако широкие пределы чувствительности глаза, его способность приспосабливаться к различным условиям распределения яркости в поле зрения позволяют оценивать глаз как наиболее совершенный орган чувств.

Свойство глаза приспосабливаться к резким переменам  освещения называется адаптацией. При переходе от темноты к  свету (световая адаптация) запас светочувствительного вещества в глазе уменьшается, вследствие чего его чувствительность  понижается. Процесс световой адаптации происходит сравнительно быстро и в первые 5—8 мин наблюдается значительное  снижение чувствительности. При переходе от света к темноте (темповая адаптация) чувствительные вещества в глазе регенерируют, запас их увеличивается и чувствительность глаза повышается. Процесс темновой адаптации, однако, идет значительно медленнее, чем световой: в начале E—8 мин) наблюдается быстрый рост  чувствительности, затем он замедляется и полную чувствительность глаз приобретает лишь через несколько часов. Устройство глаза и способность его к адаптации позволяют воспринимать широкий диапазон яркости. При малых яркостях (менее 0,01 кд/м2) работают только палочки, при увеличении яркости вступают в действие колбочки и  работают вместе с палочками. При дальнейшем увеличении яркости (свыше 10 кд/м2) палочки прекращают работу, функционируют только колбочки, а при очень высоких яркостях глаз должен принимать меры к предохранению от ослепления. Кривая относительной видности при малых яркостях, т. е. использовании палочного зрения (рис. 1.3),  смещается в сторону коротких волн. Это  изменение чувствительности глаза к  излучениям различных участков спектра при переходе от больших яркостей к малым известно как эффект Пуркине, который имеет большое практическое значение при выборе освещенностей на улицах городов и в зданиях, а также интерьеров, освещаемых источниками

§ 1.3. Разрешающая способность глаза

Разрешающая способность глаза характеризуется минимальным угловым размером пространства между двумя исследуемыми объектами (квадратами, прямоугольниками,  линиями) и определяется отношением размера промежутка к  расстоянию от него до глаза. 1/3500, принято считать нормальной, что соответствует  минимальному разрешающему углу в Г. При благоприятных условиях освещения у человека с  нормальным зрением минимальный разрешающий угол может  уменьшиться до 0,7—0,8'.

Разрешающая способность глаза имеет большое значение при необходимости различения мелких объектов. Измерение разрешающей способности (или обратной ей  величины, называемой остротой зрения) проводится с помощью специальных таблиц на которых напечатаны буквы, цифры либо так называемые кольца Ландольта (рис. 1.6) различных размеров и толщины. Знаки одинакового размера напечатаны в отдельных строках. Размеры выбраны так, чтобы буквы или знаки были видны при указанном в таблице расстоянии (обычно 5 м) под различными углами, также указанными на полях таблицы. При  измерении разрешающей способности глаза таблицу укрепляют на стене или специальном щите. Наблюдатель располагается на расстоянии 5 м от таблицы, на которой создана равномерная без бликов освещенность. Во время исследования испытуемому предлагают назвать букву, знак или направление разрыва кольца Ландольта.

Наименьший по размерам знак таблицы, который испытуемый называет правильно, позволяет судить о разрешающей  способности его зрения. На рис. 1.7. показана зависимость остроты зрения от яркости поля адаптации при различном контрасте деталей с фоном. Из кривых видно, что острота зрения возрастает особенно при переходе от малых яркостей фона (долей кд/м2) к яркостям 500—700 кд/м2. Дальнейшее увеличение яркости не дает значительного роста остроты зрения. Кривые свидетельствуют также о большом влиянии на остроту зрения контраста деталей с фоном.

1.4. СКОРОСТЬ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ

Скорость зрительного восприятия характеризуется значением, обратным наименьшему времени, необходимому для различения рассматриваемого объекта. Она зависит от яркости фона, на  котором рассматривается объект, его размера, а также контраста с фоном.

Определение условий освещения с помощью скорости  различения обычно применяется при исследованиях в условиях  лаборатории, так как используемая - при этом аппаратура неудобна на производстве. Основным элементом таких установок является тахистоскоп. Его помещают между исследуемым объектом  различения и наблюдателем таким образом, что последний может видеть предъявляемый для различения объект лишь за время прохождения перед ним раскрытия тахистоскопа. Время экспозиции различаемой детали может изменяться в зависимости от числа оборотов и раскрытия секторного отверстия р диске. Обычно скорость различения изменяется в пределах 1 1200 с '. Объектами различения чаще всего служат кольца Ландольта, разрывы которых направлены в разные стороны.  Зрительной задачей в опытах с кольцами Ландольта является  определение направления разрыва кольца. Вместо кольца Ландольта  могут быть выбраны объемные, геометрически правильные тела (куб, цилиндр, конус, призма и т. п.). Связь между освещенностью фона (поля зрения) и скоростью различения при наблюдении  черных объектов на белом фоне показана на рис. 1.8. Из рисунка видно, что скорость различения  значительно растет при увеличении освещенности и ее рост практически прекращается при освещенности 1000 лк.

Вестон исследовал «зрительную» работоспособность по скорости и вероятности различения направления разрыва колец Ландольта при кратковременном их наблюдении в зависимости от уровня  освещенности и контраста объекта с фоном. Зрительная задача состояла в  вычеркивании колец с заданным направлением разрыва.

§ 1.5. Устойчивость ясного видения и адиспаропия

Способность глаза длительно сохранять в поле зрения  фиксированные глазом детали называется устойчивостью  ясного видения. При длительном сосредоточенном рассматривании какого-либо мелкого предмета происходит утомление зрения. Оно характеризуется тем, что предмет виден отчетливо лишь  временами, сменяющимися периодами, при которых он становится  расплывчатым и неясным. Это объясняется утомлением глазных мышц, стремящихся при рассматривании предмета удержать глаз в  положении, при котором изображение оставалось бы на одном и том же месте сетчатки.

При изменении места изображения фиксируемого предмета на сетчатке глаза требуется некоторое время для достижения ясного видения. Количественным показателем устойчивости ясного видения принято считать отношение времени ясного видения ко всему времени сосредоточенного рассматривания мелкого предмета (обычно 3 мин).

Исследованиями доказано, что на устойчивость ясного  видения в значительной степени влияют условия освещения, характер выполняемой работы, ее продолжительность. Поэтому определение устойчивости ясного видения (у.я.в.) часто проводится для оценки зрительной работоспособности в различных осветительных условиях, а изменение этой функции в процессе работы является  наглядной и удобной характеристикой утомления зрения.

Определение у.я.в. тех деталей, которые должны различаться в процессе работы, затруднительно, а иногда невозможно. В  качестве объектов различения подбирают специальные тесты,  значение у.я.в. которых ничего не говорит экспериментатору. Поэтому исследования с у. я. в. основаны на  сравнении нескольких ее значений: при разных вариантах освещения, до и после  работы и т. д. При таком использовании у. я. в. является одной из наиболее важных и широко используемых характеристик гигиенической оценки условий освещения. Характер зависимости у. я. в. от  освещенности поля зрения (по усредненным  данным) показан на рис. 1.9. Значительный рост этой функции зрения достигается в зоне до 200 лк. Необходимо отметить, что в зависимости от характера  зрительной работы и качества освещения  значения у. я. в. могут отличаться от  показанных на рис. 1.9.

Во многих исследованиях широко распространен метод оценки зрительного утомления с помощью адиспаропии. В основе этого метода лежит временное снижение устойчивости  различительной способности глаза при длительной фиксации глазом контрастных цветных или ахроматических полей. Для определения значения адиспаропии может применяться круглое поле размером 70 мм, разделенное на две равные части, контраст между которыми равен 0,8 на фоне с коэффициентом отражения q = 0,75. Критерием оценки осветительных условий служит отношение времени ясного видения линии раздела полей к полному времени его фиксации, которое, как и при определении устойчивости ясного видения, принимается равным 3 мин.