2. Особенности субъективного восприятия света

Зрение человека позволяет воспринимать форму, цвет, яркость и движение окружающих предметов. До 90 % информации об окружающем мире человек получает с помощью зрительных органов, поэтому рациональное освещение помещений и рабочих мест является одним из важнейших факторов создания нормальных гигиенических условий для выполнения любых зрительных работ.

Глаз человека работает по принципу фотографической камеры, в которой роль объектива выполняет хрусталик. Световые лучи, проходя через хрусталик, преломляются и создают уменьшенное обратное изображение на внутренней стенке глазного яблока (сетчатке). Светочувствительные рецепторы сетчатки (палочки и колбочки) поглощают падающий на них световой поток и преобразуют его в нервные импульсы, которые передаются по зрительному нерву в мозг. Величина возбуждаемых импульсов зависит от освещенности участков сетчатки, на которые проецируется изображение рассматриваемого предмета.

Энергетические характеристики зрительного анализатора определяются интенсивностью световых сигналов, воспринимаемых глазом. К ним относятся: яркость наблюдаемого объекта, контраст объекта с фоном, цветоощущение.

Яркость является основной характеристикой, определяющей уровень светоощущения. В общем случае яркость предмета определяется двумя составляющими – яркостью излучения и яркостью за счет внешней засветки (яркостью отражения): B = B_изл + B_отр.

Яркость излучения определяется интенсивностью излучения с поверхности наблю­даемого объекта и его светоотдачей. Вторая составляющая для случая диффузного (ненаправленного) отражения определяется уровнем освещенности наблюдаемой поверхности от внешнего источника и ее отражающими свойствами: B_отр = E_д/ ,

где E – освещённость поверхности;

_Д – коэффициент диффузного отражения поверхности.

Диапазон воспринимаемых яркостей зрительным анализатором человека весьма велик: от 10^-6 до 10⁶ кд/м².

Каждый видимый объект наблюдается на фоне каких-либо других объектов. Фон представляет собой поверхность, на которой наблюдается данный зрительный объект. Основной характеристикой фона является коэффициент отражения (). Если   < 0,2 – фон считается темным, если 0,2 <  < 0,4 – средним, если   > 0,4 – светлым.

Зрительное восприятие объектов также зависит от их  контраста по отноше­нию к фону, на котором они наблюдаются. Различают два вида контраста: прямой (объект наблюдения темнее фона, т. е. B_о < B_ф) и обратный (объект наблюдения светлее фона, т. е. B_о > B_ф). Количественно величина контраста оценивается отношением разности яркостей объекта наблюдения и фона к большей яркости:

К_пр = (B_ф - B_о)/B_ф при B_ф > B_о, и К_пр = (B_о - B_ф)/B_о при B_о > B_ф,

где B_ф и B_о  – соответственно яркость фона и объекта. Если K < 0,2 – контраст считается малым, если 0,2 < K < 0,5 – средним, если K > 0,5 – большим. Оптимальная величина контраста считается равной 0,6 – 0,95. Зрительная работа при прямом контрасте более благоприятна, чем работа при обратном контрасте. При равенстве яркостей фона и объекта они могут быть различимы по цветности.

Чрезмерно яркие объекты могут вызывать нежелательное состояние органов зрения. Особенно сильно негативное влияние на работу органов зрения оказывают элементы с большой яркостью, в качестве которых могут выступать, например, чрезмерно яркие части светильников или других источников света (прямое действие), а также их зеркальные отражения (отражённое действие).

Неравномерное распределение яркости зрительных объектов с чрезмерно яркими элементами называют блёскостью, а вызываемое блёскостью нарушение нормальной работы органов зрения – ослеплённостью. Отрицательное воздействие блёскости на органы зрения тем больше, чем точнее выполняемая зрительная работа.

Таким образом, обеспечение требуемой величины контраста является лишь необходимым, но ещё недостаточным условием оптимального зрительного восприятия световой картины. Необходимо также знать, как этот контраст воспринимается при данных условиях. Для этого введено понятие порогового контраста К_пор = B_пор/ B_ф,

где B_пор – пороговая разность яркости, т. е. минимальная разность яркости объекта наблюдения и фона, которую ещё может обнаружить глаз человека.

Для нормального восприятия зрительной картины контраст объекта наблюдения должен превышать величину порогового контраста в 10 – 15 раз. Отношение величины контраста объекта наблюдения к его пороговому значению (характеристика способности глаза воспринимать объект) называют видимостью: V = K /K_пор .

Величина порогового контраста зависит от яркости и угловых размеров объекта наблюдения, поэтому объекты наблюдения с большими размерами видны при меньших контрастах. С увеличением яркости значение порогового контраста уменьшается.

Критерием оценки слепящего действия осветительных установок является показатель ослеплённости:

P = 1000(s – 1) ,

где s = V₀ /V_бл – коэффициент ослеплённости;

V₀ = K₀ /K_пор.0 – видимость объекта наблюдения при отсутствии блёскости в поле зрения;

V_бл = K_бл /K_{пор. бл} – видимость объекта наблюдения при наличии блёскости в поле зрения.

При питании газоразрядных ламп переменным током промышленной частоты (50 Гц) световой поток ламп оказывается пульсирующим с частотой 100 Гц. Соответствующие пульсации освещенности рабочей поверхности вызывают повышенное утомление органов зрения и ухудшение общего состояния организма.

В помещениях с движущимися или вращающимися элементами оборудования пульсации светового потока могут привести к возникновению стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект заключается в том, что при совпадении или кратности частоты пульсаций светового потока и частоты вращения или колебаний механических элементов оборудования последние кажутся неподвижными. Отличие зрительного восприятия движения объектов от их действительного движения может стать причиной травм и несчастных случаев.

Коэффициент пульсаций освещенности (выраженный в %) определяется по формуле:

К_п = (E_макс - E_мин)100/2E_cр, (1)

где E_макс , E_мин  и E_cр – максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период пульсаций светового потока,  лк.

Для практических оценок коэффициента пульсаций освещенности при выполнении данной работы можно приближённо полагать, что

E_cр = 0,5(E_макс + E_мин).

"Средний глаз" человека по-разному реагирует на различные участки спектра светового излучения. Чувствительность глаза растёт, начиная от самых коротких длин волн, достигает максимума при длине волны жёлто-зелёного света ( = 555 нм) и затем вновь убывает. Эту зависимость называют световой эффективностью, под которой понимают отношение светового потока, воспринимаемого глазом человека, к полному потоку излучения (т.е. полной мощности лучистой энергии, включающей излучение невидимых участков спектра): Э = Ф/W_э,

где Ф – видимый световой поток; W_э – полная энергия излучения (включая энергию излучения в невидимых областях спектра).

Так как Ф измеряется в люменах, а W_э в ваттах, то единицей измерения световой эффективности является  лм/Вт. Отношение светового потока белого света к соответствующей мощности излучения представляет собой полную световую эффективность. Подобное отношение для определенной длины волны (частоты) называется спектральной эффективностью или световой эффективностью монохроматического света: Э_λ= Ф_λ/W_э.

Световая эффективность на частоте наибольшей чувствительности глаза (λ = 555 нм) равна 683 лм/Вт. Отношение световой эффективности излучения на любой другой частоте к световой эффективности на частоте максимальной чувствительности глаза называется  относительной световой эффективностью: υ= Э_λ /Э₅₅₅.

На рисунке приведена кривая спектральной чувствительности глаза, показывающая, что для обеспечения одинакового зрительного ощущения мощность синего и красного излучений должна быть существенно больше мощности жёлто-зелёного излучения.

Кривая спектральной чувствительности глаза человека

Источник, отдающий всю свою энергию в виде излучения с длиной волны 555 нм, обладает максимальной световой эффективностью (υ_λ = 1) и был бы наиболее экономичным. Однако такой источник света окрашивал бы все предметы в зеленый цвет и они отличались бы друг от друга лишь тем, что одни оказались бы светлее, а другие – темнее.

Наилучшим должен быть источник, излучающий энергию только в видимой области спектра с таким же распределением энергии по длинам волн, какое имеет условный "средний солнечный свет".

3. Виды искусственного освещения

Искусственное освещение по характеру выполняемых задач подразделяется на рабочее, аварийное, охранное и дежурное.

Рабочее освещение – это освещение, обеспечивающее нормативные условия освещения (освещённость и качество освещения) в помещениях и местах производства работ вне зданий.

При общем освещении светильники размещаются равномерно в верхней зоне помещения.

При комбинированном освещении общее освещение дополняется местным освещением, с помощью которого обеспечивается большая концентрация светового потока непосредственно в зоне выполнения работ.

Местное освещение (например, настольные и подвесные лампы, бра и т. п.) предназначаются для дополнительного освещения непосредственно рабочих поверхностей. Применение лишь одного местного освещения недопустимо из-за большой неравномерности освещённости рабочей поверхности, являющейся причиной частой переадаптации и, соответственно, переутомления органов зрения.

Аварийное освещение предназначено на случай внезапного отключения рабочего освещения в тех помещениях, в которых работа не должна прекращаться, и делится на освещение безопасности и эвакуационное освещение.

Освещение безопасности необходимо для продолжения работ в случаях аварийного отключения рабочего освещения. Освещение безопасности должно быть автономным и обеспечивать не менее чем 5 %-ю освещённость рабочих мест от нормативной величины оcвещённоcти при общем освещении. При этом освещённость внутри здания должна быть не менее 2 лк.

Эвакуационное освещение служит для безопасного выхода из помещения при аварийном отключении рабочего освещения. Эвакуационное освещение должно быть автономным и создавать освещенность на полу основных проходов и лестничных ступенях 0,5 лк.

Охранное освещение должно предусматриваться вдоль границ территорий, охраняемых в ночное время (при отсутствии специальных средств охраны).

Дежурное освещение – это освещение в нерабочее время.

4. Источники искусственного освещения

При широком выборе источников света в настоящее время для освещения производственных и бытовых помещений используются в основном две их группы: лампы накаливания и газоразрядные лампы.

Основными характеристиками источников света являются:

• номинальное напряжение U_ном, В;

• номинальная мощность P_ном, Вт;

• номинальный световой поток (Ф_ном), лм (при номинальном напряжении);

• степень снижения светового потока в течение срока службы;

• светоотдача, характеризующая световой поток, получаемый с единицы затраченной электрической мощности ( = Ф_ном /P_ном), лм/Вт;

• средний срок службы (T_cл), ч.

Лампы накаливания (ЛH)  являются источниками света теплового действия.

Широкое применение ламп накаливания обусловлено рядом их достоинств:

- дешевизна и простота в изготовлении;

- они не требуют дополнительных пусковых устройств при подключении к электрической сети;

- сохраняют работоспособность при значительных отклонениях напряжения сети от номинала;

- их световой поток к концу срока службы снижается лишь незначительно (примерно на 15 %);

- некритичность к изменениям условий внешней среды.

Однако лампы накаливания имеют и существенные недостатки:

- низкую светоотдачу ( = 7 – 19 лм/Вт);

- сравнительно малый срок службы (до 1000  ч);

- преобладание в излучаемом спектре жёлто-красных составляющих, что приводит к искажению естественного цветового восприятия.

Газоразрядные лампы широко используются для освещения производственных помещений. Эти лампы генерируют световое излучение в результате электрического разряда в среде инертных газов или паров ртути, а также за счет явления люминесценции.

Наиболее распространены люминесцентные газоразрядные лампы (ЛЛ), имеющие форму цилиндрической трубки. Внутренняя поверхность трубки покрыта тонким слоем люминофора, служащего для преобразования ультрафиолетового излучения, возникающего при электрическом разряде в парах ртути, в видимое излучение.

Люминесцентные лампы, в отличие от ламп накаливания, имеют:

- высокую светоотдачу (до 75 лм/Вт);

- больший срок службы (до 10000 ч);

- лучшую цветопередачу (излучаемый ими спектр более близок к спектру естественного света).

Недостатками люминесцентных ламп являются:

- снижение к концу срока службы светового потока (до 60 % номинального), что требует введения соответствующего коэффициента запаса;

- при подключении к сети требуется дополнительное пусковое оборудование;

- при температурах ниже 10 ⁰С  для надёжного запуска требуется специальное дополнительное оборудование;

- при питании переменным током создаваемый световой поток пульсирует с удвоенной частотой напряжения сети (100  Гц);

- излучение радиотехнических помех в процессе работы;

- проблемы утилизации из-за возможности выделения чрезвычайно опасных соединений ртути.

Люминесцентные осветительные лампы выпускаются белого света ЛБ, холодно-белого света ЛХБ, дневного света ЛД, дневного света улучшенной цветопередачи ЛДЦ, тёпло-белого света ЛТБ, холодно-белого света улучшенной цветопередачи ЛХДЦ или ЛЕ.