Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng / Đại học Kiến trúc

CHƯƠNG I: CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐƠN VỊ CƠ BẢN
CỦA KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG
I/ Ánh sáng và các ặc tính vật lý và sinh học
1.1. Bức xạ, ánh sáng và màu sắc
Bảng1. Phân loại các sóng iện từ Từ 3000m ến 10m Sóng radio Từ 10m ến 0,5m Sóng TV,FM Từ 500mm ến 1mm Sóng rada Từ 1000µm ến 0,78µm Tia hồng ngoại
Từ 780nm ến 380nm Ánh sang Từ 380nm ến 10nm Tia cực tím Từ 100 A · ến 0,01 A · Tia X
Từ 0,01 A ·· ến 0,001 A · Tia , tia vũ trụ
( 1 µm=10 6 m; 1nm = 10 9 m ; 1A ∙=10 10 m )
Bảng 2. Phân loại cảm giác màu sắc của ánh sáng theo bước sóng (theo CIE
- ủy ban quốc tế về chiếu sáng). , nm 380 439 498 568 592 631 780 Màu
Cực tím Tím Lam Lục Vàng Cam Đỏ Hồng ngoại max, nm 412 470 515 577 600 673
Các khái niệm thường dùng trong mô tả ánh sáng :
- Ánh sáng chỉ gồm có một bước sóng gọi là ánh sáng ơn sắc , nó chỉ có một màu thuần khiết.
- Nếu ánh sáng là một tập hợp pha trộn liên tục của tất cả các bước sóng (trong
phạm vi 780 - 380 nm) với liều lượng khác nhau chúng ta sẽ có một phổ ánh
sáng liên tục. Sự pha trộn của tất cả các màu sắc tự nhiên tạo nên một ánh sáng
không màu hay còn gọi là ánh sáng trắng.
1.2. Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng , màu sắc
- Mắt người là một cơ quan cảm thụ ánh sáng có khả năng chuyển ổi không
tuyến tính và thay ổi theo thời gian các kích thích quang học thành các tín hiệu
iện ể truyền lên não và tạo nên ở ó một hiện tượng gọi là " Sự nhìn ".
- Đặc biệt quan trọng là trên võng mạc có một iểm nhỏ nằm cạnh trục nhìn, có
ường kính khoảng 1 mm (tương ương góc nhìn 20) gọi là iểm vàng. Giữa iểm
vàng có một hố trung tâm, kích thước tương ứng với góc nhìn 10 ( ủ nhìn ngôi
nhà năm tầng cao 15m ở xa 1 km). Tại ây các tế bào cảm quang phân bố rất
dày ặc, vì vậy hình ảnh nếu rơi vào vùng này sẽ rõ nét nhất.
Màu sắc và sự cảm nhận màu
- Ngoài việc cảm nhận ược hình dạng của vật, mắt người còn có khả năng cảm
thụ ược màu sắc của sự vật thông qua các kích thích vào các tế màu thần kinh thị giác phù hợp.
- Bằng thực nghiệm người ta nhận thấy là trong mắt người có ba loại tế bào nhạy
cảm với ba màu cơ bản : ĐỎ, LỤC, LAM. Phản ứng của ba loại tế bào này ối
với ánh sáng làm cho ta có cảm giác về màu của ánh sáng ó. Ngoài ra người ta
còn phát hiện ra loại tế bào thứ tư là loại nhạy cảm với cả ba màu, ó là cảm giác về ộ chói.
- Khi phản ứng của ba tế bào là như nhau ta có cảm giác màu Vô sắc, khi phản
ứng không ều nhau ta có màu Có sắc.
II/ Các ại lượng & ơn vị o ánh sáng
Trong phần này chỉ trình bày những ại lượng cơ bản thường dùng nhất trong
kỹ thuật chiếu sáng cùng các khái niệm liên quan ến chúng.
2.1. Quang thông F , lumen (lm)
- Các thực nghiệm về ánh sáng cho thấy, cùng một giá trị năng lượng nhưng bức
xạ dưới các bước sóng khác nhau lại không gây hiệu quả giống nhau trong mắt
chúng ta. Vì vậy cần hiệu chỉnh ơn vị o năng lượng này theo ộ nhạy cảm phổ
của mắt người. Đơn vị mới này ược gọi là quang thông, ký hiệu là F, ược biểu diễn như sau : 2 F kW d 1
Trong ó : W - phân bổ phổ của năng lượng bức xạ; - hàm số ộ nhạy cảm
tương ối; k - hệ số chuyển ổi ơn vị; 1 =380 nm ; 2 = 780 nm.
- Như vậy quang thông là ơn vị ặc trưng cho công suất của một nguồn sáng. Nếu
năng lượng bức xạ o bằng Watt, quang thông bằng lumen, thì theo thực nghiệm k = 683 lm/W.
2.2. Cường ộ sáng I , Candela (cd)
- Giả thiết một nguồn sáng O bức xạ một lượng quang thông dF tới một iểm A
là tâm của một diện tích dS . Gọi d là góc khối nhìn diện tích dS từ O .
Chúng ta ịnh nghĩa Cường ộ sáng I là : I OA dlim 0 dF d
- Với: d - là góc khối không gian tâm O, nhìn diện tích dS trên mặt phẳng làm
việc. Góc khối ược ịnh nghĩa là một góc không gian có giá trị bằng tỷ số của
diện tích hình cầu tâm O và bình phương bán kính hình cầu ó (hình cầu chứa diện tích dS). d dF d 0 dS I A
Hình 1. Biểu diễn hình học của cường ộ sáng
- Cường ộ sáng luôn gắn liền với một hướng ã cho, ược biểu diễn bằng một
vectơ mà mô un của nó ược o bằng candela (viết tắt là cd). Nói cách khác,
cường ộ sáng là mật ộ không gian của quang thông do nguồn bức xạ.
- Một trong những số liệu quan trọng nhất của một loại bóng èn là "biểu ồ cường
ộ sáng " của nó, ược lập bởi các giá trị của cường ộ sáng theo tất cả các hướng
không gian , tính từ iểm gốc là tâm quang học của nguồn. Đó là một ường cong
vẽ trên nửa mặt phẳng theo tọa ộ cực , trong ó cho các giá trị cường ộ sáng I
theo các góc lập với trục của mặt tròn xoay .
- Chú ý rằng trong sổ tra cứu các loại èn , các biểu ồ cường ộ sáng ược vẽ cho
quang thông quy về 1000 lm (quy chuẩn).
2.3. Độ rọi E , Lux (lx)
- Theo ịnh nghĩa ộ rọi là mật ộ quang thông trên bề mặt ược chiếu sáng (có nghĩa
là lượng quang thông do nguồn sáng cung cấp cho một diện tích bề mặt ược
chiếu sáng). Độ rọi E ược xác ịnh theo công thức như sau : E F S
Đơn vị ộ rọi là lux (lx) , 1 lux = 1 lm/m²
Kết quả tính toán trên là ộ rọi trung bình của bề mặt S.
- Mặt khác, khi chúng ta lấy một iểm M trên bề mặt S ó. Quang thông bức xạ
theo hướng tới iểm M (khi góc khối giảm dần ến không) cũng chính là cường
ộ sáng trên hướng này. Vậy cường ộ này cho ta ộ rọi iểm tại M ( o bằng lux).
Tóm lại, mỗi một iểm M của bề mặt tồn tại một ộ rọi iểm ứng với cường ộ
sáng tới iểm ó. Trị số trung bình của ộ rọi tất cả các iểm trên bề mặt S chính
là ộ rọi trung bình của bề mặt này.
- Chúng ta có quan hệ giữa ộ rọi và cường ộ sàng theo công thức sau : E = I.cos /r2 Với :
I – cường ộ sáng theo phương hướng vào iểm M.
R – khoảng cách từ nguồn ến iểm ược chiếu sáng.
- là góc giữa pháp tuyến của mặt phẳng S và cường ộ sáng I.
2.4. Độ chói L, cd/m2
- Như chúng ta biết, mắt chúng ta phân biệt ược một vật khi mà ánh sáng từ môi
trường chiếu ến vật ó và phản xạ vào mắt chúng ta. Người ta ịnh nghĩa ộ chói
L của một bề mặt phát sáng dS theo một hướng khảo sát là tỷ số giữa cường ộ
sáng I theo hướng ó và diện tích hình bao nhìn thấy dS từ ó. L I dS.cos
và suy ra ộ chói theo hướng vuông góc : L I dS
Đơn vị ộ chói là cd/m² . - Chú ý :
 Độ chói của một bề mặt bức xạ luôn phụ thuộc hướng quan sát bề mặt ó.
 Độ chói của một mặt bức xạ không phụ thuộc khoảng cách từ mặt ó ến iểm quan sát .
- Như vậy có thể nói nhờ vào ộ chói của một vật mà chúng ta mới có khả năng
nhìn thấy vật ó. Khái niệm này sẽ dẫn ến một số những khái niệm mới như :
 Hệ số phản xạ ánh sáng, ký hiệu là .
 Hệ số hấp thụ ánh sáng, ký hiệu là .
 Hệ số xuyên sáng, ký hiệu là .
- Các hệ số này thay ổi theo ặc tính quang học của bề mặt phản chiếu ánh sáng,
chúng phụ thuộc vào vật liệu của bề mặt. Ví dụ như : Bột màu trắng = 0.8 Gương soi = 0.85 Thạch cao trắng = 0.9 Lớp mạ bạc = 0.93 Kính trong suốt = 0.8 0.9
- Một bề mặt ược gọi là phản xạ (hoặc xuyên sáng) khuếch tán hoàn toàn, khi
ược chiếu sáng sẽ cho ộ chói quan sát với bất kỳ hướng nào ều như nhau.
Thường là như vật liệu có bề mặt nhám mịn, như giấy trắng, bột màu và các
bề mặt thách cao trong xây dựng. Khi ó cường ộ sáng của chúng phân bố theo qui luật cosin: I = Ivg.cos Trong ó :
I - cường ộ sáng theo phương
Ivg – cường ộ sáng theo hướng vuông góc với bề mặt.
- Đối với những bề mặt khuếch tán hoàn toàn, chúng ta có ịnh luật Lambert như sau : L. = .E Hay L. = .E
III/ Một số vấn ề về sự cảm thụ ánh sáng của mắt người và tiện nghi của môi trường sáng.
3.1. Một số ặc iểm sinh lý của sự nhìn Khả
năng phân biệt của mắt người:
- Xác ịnh bằng góc ( o bằng phút) mà người quan sát có thể phân biệt ược hai
iểm hay hai vạch ặt gần nhau. Tối thiểu góc phân biệt phải từ một phút trở lên
thì sự nhìn mới bình thường. Để ọc sách cần góc phân biệt lớn hơn từ 3 ến 5
phút. Khả năng phân biệt ược xem xét khi xác ịnh tiêu chuẩn ộ rọi cho các công việc khác nhau.
Độ tương phản C :
- Sự tương phản là sự phân biệt ược các vật có ộ chói khác nhau. CIE ịnh nghĩa
ộ tương phản C như sau : L Lv n L C Ln Ln
Trong ó Lv và Ln - tương ứng là ộ chói của vật cần nhìn và của nền trên ó ặt vật .
C có thể dương ( ộ tương phản của vật sáng trên nền tối) hoặc âm ( ộ tương
phản của vật tối trên nền sáng). Độ tương phản C thay ổi từ 0 1.
3.2. Sự chói lóa
Người ta phân biệt hai kiểu chói loá.
- Chói loá nhiễu : là sự chói lóa làm giảm khả năng nhìn do làm tăng ngưỡng ộ
chói tương phản. Ví dụ : khi ặt cạnh bề mặt cần nhìn gồm (nền và vật) một
ngọn èn, ngọn èn làm tăng thêm ngưỡng tương phản giữa vật và nền.
- Chói loá mất tiện nghi : xảy ra khi có một vật có ộ chói cao nằm trong trường nhìn của mắt.
- Để tránh chói lóa mất tiện nghi phải bố trí ộ cao èn hợp lý, sử dụng các loại èn
có chụp chắn sáng phù hợp.
3.3. Độ rọi yêu cầu Eyc , lx
- Đó là ộ rọi trung bình trên mặt phẳng làm việc (thường nằm ngang), cần thiết ể
tiến hành tốt nhất công việc. Cũng cần chú ý rằng , trong chiếu sáng , việc lựa
chọn ộ rọi quá cao chưa chắc ã là một giải pháp chiếu sáng tốt nhất.
Độ rọi yêu cầu ược xác ịnh bằng thực nghiệm và lập thành Tiêu chuẩn.
Bảng 3 - ộ rọi yêu cầu trung bình do AFE ưa ra: Loại chiếu sáng
Độ rọi Tính chất công việc Eyc , lx Chiếu sáng chung, 20
Tối thiểu cho lối i bên ngoài nơi hoạt ộng gián 30 Sân và kho oạn hay không cần 50 Bãi xe, lối i phân biệt chi tiết 100
Bốc dỡ hành hóa, bến xe 150
Hành lang, cầu thang, cửa hàng Chiếu sáng chung, 200
Tối thiểu khi nhìn chi tiết nơi làm việc liên tục 300 Dùng ọc và viết 500
Văn phòng, in ấn, ánh máy 750
Phòng máy tính, phòng vẽ Cơ
1000 khí chính xác, chạm khắc, vẽ chi tiết Chung hoặc cục bộ
1500 Cơ khí chính xác, lắp ráp linh kiện vi iện tử.
3.4. Nhiệt ộ màu và tiện nghi môi trường sáng
- Phổ ánh sáng trắng của nguồn sáng sẽ phụ thuộc vào nhiệt ộ màu của nó mà
người ta hay gọi là gam màu. Chẳng hạn như gam màu lạnh (cool ligh), màu
nóng (warm ligh), màu ban ngày (day ligh) ...vv. Như vậy ể ánh giá chính xác
hơn các loại ánh sáng trắng, người ta dùng "nhiệt ộ màu", ký hiệu là Tm , ơn vị là ộ Kelvin (0K) :
 2500 - 30000 K : ánh sáng "nóng", khi mặt trời lặn (giàu bức xạ ỏ), thường
là các loại èn nung sáng, huỳnh quang, èn cao áp Halogen và èn compact loại mới.
 4500 - 50000 K : ánh sáng ban ngày, thường là èn huỳnh quang và èn compact loại mới.
 6000 - 80000 K : ánh sáng "lạnh", các loại èn cao áp thủy ngân và èn huỳnh
quang phổ biến hiện nay.
- Qua thực nghiệm cho thấy nhiệt ộ màu - gam màu ảnh hưởng rất nhiều ến chất
lượng và hiệu quả của chiếu sáng. Nó ảnh hưởng ến tất cả các cảm giác hấp
thụ ánh sáng của mắt người. Việc lựa chọn gam của nguồn sáng màu phù hợp
với ộ rọi yêu cầu giúp con người cảm thấy thoải mái trong hoạt ộng.
- Nhiệt ộ màu của nguồn sáng tỉ lệ với ộ rọi yêu cầu theo biểu ồ dưới ây. Nhiệt ộ
màu, 0 K 7000 6000 Vùng môi trường 5000 sáng tiện nghi 4000 3000 2000 05 100
020 030 040 050 0100 0150 Độ rọi, lx 0200
Hình 2. Biểu ồ Kruihof
3.5. Chỉ số hoàn màu, IRC
- Chất lượng của ánh sáng thể hiện ở chất lượng nhìn màu, nghĩa là khả năng
phân biệt chính xác các màu sắc trong ánh sáng ó.
- Để ánh giá ộ trung thực về màu sắc trong môi trường chiếu sáng, người ta dùng
chỉ số hoàn màu , ký hiệu là IRC. Chỉ số hoàn màu thay ổi từ 0 ối với ánh sáng
ơn sắc, ến 100 ối với ánh sáng trắng.
- Chỉ số hoàn màu càng cao thì chất lượng ánh sáng ược xem là càng tốt. Trong
kỹ thuật chiếu sáng người ta chia chất lượng ánh sáng theo ba mức ộ như sau :
 IRC = 66 : Chất lượng kém, dùng những nơi không yêu cầu cao về sự phân biệt màu sắc.
 IRC 85 : Chất lượng trung bình.
 IRC 95 : Chất lượng ánh sáng cao, dùng cho các công việc ặc biệt.
- Như vậy tóm lại : tiện nghi của môi trường sáng phải thoả mãn một cách hòa
hợp những yếu tố như : ộ rọi yêu cầu trung bình, nhiệt ộ màu và chỉ số hoàn
màu của nguồn sáng, giới hạn góc chói, ...vv. Muốn vậy trước khi ề cập ến
vấn ề thiết kế chiếu sáng phải khảo sát các yếu tố vật lý, sinh lý có ảnh hưởng
ến hoạt ộng của con người trong môi trường sử dụng ánh sáng ó. Đây chính là
yêu cầu ầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế chiếu sáng.
3.6. Góc bảo vệ h' h r R
Hình 3. Mô tả góc bảo vệ của bộ èn Trong ó:
R: bán kính chụp èn r: bán kính sợi tóc
h: chiều cao từ mép chụp èn tới sợi tóc : góc bảo vệ
- Chú ý khi chọn chụp èn của nguồn sáng ta chọn góc bảo vệ lớn ể tránh ánh sáng
phát ra trực tiếp từ nguồn sáng tới mắt. Khi thiết kế chiếu sáng cũng cần phải
ảm bảo về ộ ồng ều của nguồn sáng phân bố trên bề mặt ược chiếu sáng và ảm
bảo các chỉ số có lợi về mặt phát quang cũng như sử dụng hiệu quả về tiết kiệm năng lượng.
IV. Các ặc tính sáng của vật liệu
- Khi ta chiếu một nguồn sáng vào một vật thể thì một phần quang thông bị vật
ó hấp thụ, một phần bị phản xạ và một phần quang thông xuyên qua vật ó.
- Ta gọi phần quang thông bị phản xạ là F , phần quang thông thấu xạ là F và
phần quang thông vật ó hấp thụ là F . F
- Như vậy ta có các hệ số: F  Hệ số phản xạ: F  Hệ số thấu xạ:  Hệ số hấp thụ: Ta có F = F + F + F
Hình 4. Mô tả ặc tính sáng của vật liệu
Trong ó hệ số phản xạ và hệ số thấu xạ có ịnh hướng, phân tỏa và hỗn hợp.
Bảng 4. Các hệ số phản xạ, thấu xạ và hấp thụ của một số loại vật liệu
Stt Tên vật liệu 1 Gương mạ bạc 0,88 0,12 0 2 Mặt nhôm ánh bóng 0,8 0,2 0 3 Sơn có chất keo 0,8 0,2 0 4 Giấy trắng 0,75 0,25 0 5 Sứ tráng men 0,6 0,4 0 6 Sơn màu vàng 0,4 0,6 0 7 Nỉ en 0,08 0,9 0 8 Nhung en 0,008 0,992 0 9 Kính cửa sổ 0,08 0,02 0,9