2.2.3. Пороговая освещенность

Световой сигнал создает определенную освещенность на зрачке наблюдателя. Минимальная величина освещенности, ниже которой человеческий глаз не реагирует на свет, называется пороговой освещенностью. Пороговая освещенность зависит от цвета излучения сигнала, яркости фона, на котором наблюдается сигнал, индивидуальных особенностей глаза наблюдателя. Величина пороговой освещенности даже у одного и того же наблюдателя различается в зависимости от его психологического состояния, времени в течение которого наблюдается сигнал и других причин. Для исключения разброса характеристик зрения отдельных наблюдателей вводится коэффициент запаса. К факторам влияющим на выбор коэффициента запаса относят также:

а) неизвестность направления, в котором следует наблюдать сигналы;

б) наблюдение сигналов через стекла машин;

в) шум двигателей, вибрация, кислородное голодание и другие причины.

Очень сильное влияние на величину пороговой освещенности оказывает яркость фона на котором регистрируется световой сигнал. Наименьшая пороговая освещенность получается при наблюдении светового сигнала на совершенно темном фоне, соответствующим яркости порядка 10^-6нит. Эта величина носит название абсолютного порога. Освещенность зрачка при этом 0,85 лк, с учетом коэффициента запаса расчетная пороговая освещенность – 8,5 лк. По мере увеличения яркости фона величина пороговой освещенности увеличивается, а дальность видимости сигналов уменьшается.

Расчет дальности видимости световых сигналов ведется для наиболее неблагоприятных условий. К такому случаю относят наблюдение в ясную лунную ночь на фоне снежного покрова. Яркость фона в этом случае составит 5 нт, освещенность - 5 лк. Расчетная пороговая освещенность для яркости фона 5 нт составляет 2 лк, т.е. имеет коэффициент запаса равный четырем.

Различают световой и цветовой пороги освещенности. Цветовой порог это минимальная освещенность глаза при котором он уверенно начинает воспринимать цвет сигнала. Под световым порогом цветного источника света понимается та минимальная освещенность на глазу наблюдателя, при которой только начинается наблюдаться световой сигнал без различия цвета сигнала. Уровень освещенности для цветового порога заметно выше чем для светового. Минимальным цветовым порогом обладает красный цвет, что явилось одной из причин применения красных светофильтров в заградительных огнях, обозначающих летные препятствия.

Н а рис. 2.7 показаны зависимости пороговых освещенностей (Е_пор) от яркости фона (L_ф): 1-абсолютный световой порог; 2- расчетный световой порог; 3- расчетный порог для красного огня; 4 -расчетный порог для зеленого огня; 5- расчетный порог для желтого огня. На рисунке также указаны яркости фона для различных состояний окружающего покрова.

Рис.2.7

2.2.4. Дальность видимости объектов

Дальность видимости темных (несамосветящихся) объектов зависит от ослабления света атмосферой, яркости фона и угловых размеров объекта. Для объектов достаточно больших угловых размеров, свыше , дальность видимости не будет зависеть от остроты зрения наблюдателя, а будет определяться свойствами атмосферы и яркости фона.

Световой поток, проходящий через толщу атмосферы, частично поглощается, а частично рассеивается. Соотношения между прошедшей, поглощенной и рассеянной частями светового потока зависят от состояния атмосферы, от размеров и количества мельчайших капелек воды, кристаллов снега и частиц пыли. Ослабление света атмосферой за счет молекулярного рассеяния незначительно и составляет порядка 1,3% на 1км. Световой поток, проходя атмосферу, ослабляется главным образом вследствие рассеяния на частицах воды, при этом образуется так называемая воздушная дымка.

Воздушная дымка имеет яркость, так как взвешенные в воздухе частицы и сами молекулы воздуха рассеивают падающий на них световой поток. Чем больше взвешенных частичек в атмосфере и чем больше толщина слоя воздуха между наблюдателем и объектом, тем большую яркость имеет этот слой. Для упрощения наблюдаемый объект можно рассматривать как абсолютно черное тело, яркость которого равна нулю. Человеческий глаз будет идентифицировать объект по разности яркостей фона и самого объекта.

По мере удаления наблюдателя от объекта будет происходить ослабление яркости объекта и фона за счет рассеяния и поглощения света в атмосфере. Кроме того, по мере удаления от объекта увеличивается толщина слоя атмосферы, а следовательно и ее яркость. Эта яркость накладывается на яркость объекта и его фона.

Прозрачность атмосферы характеризуется коэффициентом пропускания τ. Коэффициент пропускания однородного слоя, толщина которого равна единице длины, называют удельной прозрачность τ₁. За единицу длины обычно принимают километр. А при плохой видимости (тумане) – метр. Зная удельную прозрачность τ₁ и толщину слоя атмосферы L км, можно определить общий коэффициент пропускания τ.

τ=

Часто используют десятичный (δ) или натуральный (𝛼) показатель ослабления.

δ = lg τ₁ ; 𝛼 lnτ_1, (1.2)

откуда

τ₁ τ=

На практике производят наблюдение за так называемой метеорологической дальностью видимости (МДВ). Этот параметр, характеризующий состояние атмосферы, дает четкое представление о дальности видимости объектов и огней.

Метеорологическая дальность видимости (S) равна предельному расстоянию, на котором в дневное время видны черные предметы достаточно больших угловых размеров (больше ), проектирующиеся на северной стороне неба у горизонта. Северная сторона выбрана, чтобы исключить слепящее воздействие солнца.

Зависимость метеорологическая дальность видимости от удельной прозрачности атмосферы может быть установлена при помощи выражения, носящего название световоздушной формулы:

где: – яркость воздушной дымки (слоя атмосферы между наблюдателем и объектом); - яркость неба у горизонта (яркость фона).

Всякий предмет мы видим вследствие того, что он имеет яркость, отличную от фона. Причем это отличие должно превышать некую пороговую величину (К_мин), определяемую чувствительностью глаза, т.е.:

Максимальное расстояние L при котором выполняется условие (1.5) и будет являться S. Заменив в выражении (1.4) L на S, получим:

Экспериментально установлено, что объект будет виден днем, если К_мин тогда:

Логарифмируя, получим: δS= 𝛼S .

Согласно Международной шкале видимости метеорологическую дальность видимости на метеорологических станциях характеризуют в баллах (таблица 2.2).

Для определения МДВ в аэропортах устанавливают автоматические

регистраторы дальности видимости, которые состоят из источника света со стабильными характеристиками и удаленного от него на несколько сот метров фотоприемника. Регистратор непрерывно фиксирует данные на жесткий диск ПЭВМ или ленту. Основным недостатком данных приборов является то, что они определяют МДВ по горизонтальному направлению, а не по наклону глиссады. Таблица 2.2

Д альность видимости световых сигналов можно определить следующим образом.

Освещенность на зрачке наблюдателя с учетом поглощения света атмосферой определяют по выражению:

где: I – сила света сигнала, кд; L – дальность видимости сигнала, км; коэффициент пропускания атмосферы.

С учетом выражений (1.6), (1.7) можно записать:

. (1.9)

Если создаваемая сигналом освещенность на зрачке наблюдателя больше пороговой освещенности, сигнал виден; если меньше – сигнал не виден.

Из уравнения (1.9) следует, что световой сигнал виден наблюдателю, если его сила не меньше

где - пороговая освещенность, лк.

Выражение (1.10) – закон Аллара – позволяет, зная силу света сигнала I, пороговую освещенность и МДВ S , определить дальность видимости светового сигнала L.

На графике (рис.2.8) приведены кривые дальности видимости световых сигналов в зависимости от силы света и состояния атмосферы.

Эти кривые построены для освещенности что соответствует расчетному порогу для белого снега при яркости фона 5 кд/м². Кривые построены для различных значений МДВ, которые указаны в верхней части рисунка.

По графику (2.8) можно определить:

на каком расстоянии будет виден белый огонь ночью при данной прозрачности атмосферы;

какую силу света должен иметь белый огонь, чтобы в светлую ночь он был виден на данном расстоянии;

п ри какой МДВ белый огонь заданной силы будет виден на данном расстоянии.

Рис.2.8

Из приведенных кривых следует, что при плохих метеорологических условиях дальность видимости огня даже очень большой мощности незначительна. Поэтому для световой сигнализации в тумане применяют огни средней мощности, но расположенные на сравнительно небольших расстояниях

один от другого.

Наряду с огнями постоянного излучения применяются также проблесковые (импульсные) сигнальные огни. Проблесковые сигнальные огни имеют определенные достоинства перед постоянными огнями. Проблесковый сигнальный огонь легко отличить от постоянных огней в поле зрения наблюдателя. Кроме того, определенной частотой проблесков, или сочетанием длинных и коротких проблесков, т. е. работой сигнала в кодовом режиме, можно отличить один сигнальный огонь от другого. Даже слабый проблесковый огонь, появившийся на периферии поля зрения, сильнее привлекает внимание наблюдателя, чем постоянный огонь.

Дальность обнаружения проблескового огня зависит от длительности проблеска. Для определения дальности видимости проблесковых огней вводят понятие эффективная сила света проблескового огня ( ), под которой понимают силу света такого постоянного огня, который имел бы одинаковую с ним дальность видимости. Эффективную силу света проблесковых огней определяют по формуле Блонделя и Рея:

, (1.11)

где: - фотометрическая (истинная) сила света огня, кд; t – длительность проблеска, с; ϑ – постоянная величина варьируемая в широких пределах (обычно ϑ=0.21).

Формула (1.11) устанавливает эквивалентность по дальности видимости между проблесковым и постоянным светом.

Контрольные вопросы

1. Какой спектр имеют солнце, лампа накаливания, ртутная лампа?

2. Как изменяется спектральная чувствительность глаза в сумерках?

3. Какие источники света можно считать точечными?

4.Приведите выражение для расчета освещенности.

5. Перечислите виды рассеяния светового потока.

6. Что такое коэффициент пропускания?

7. Что такое пороговая освещенность и от чего она зависит?

8. Укажите причины ослабления света атмосферой.

9. Приведите выражение для расчета дальности видимости световых сигналов.