Физические основы архитектурной светотехники презентация

Учебники
Учебники
1 Оболенский Н.В. Архитектурная физика М.: Архитектура – С, 2007
2 Гусев Н.В. Основы строительной физики М.: Стройиздат, 1976
3 Щепетков Н.И. Световой дизайн города М.: Архитектура –С, 2006
4 Куприянов В.Н. Физика среды и ограждающих конструкций. – учебник для бакалавров. - М., Издательство АСВ, 2017.

1 Электромагнитное излучение тел.

Свет- видимое излучение
Тела, от которых исходит свет называют источниками излучения.

Световоды
Гелиоприемники
ПРИЕМНИКИ СВЕТА

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, мыльные пузыри, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

Преломление света

Дисперсия

Световые столбы
от фонарей из за скопления кристаллов льда в воздухе

Редкое оптическое явление
Гало
светящееся кольцо вокруг солнца
Условия для гало создали морозы и скопление кристаллов льда в облаках

Химическое действие света

Химическое действие света

Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны
Для случая преломления света на границе вакуум–среда волновая теория приводит к следующему выводу:

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
Свет имеет копускулярно-волновые свойства
Квантовые и волновые свойства не исключают друг друга, а дополняют. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко при больших
Корпускулярно-волновой дуализм – является проявлением двух форм существования материи: вещества и поля

Волновые свойства излучения.
V – скорость распространения волны в среде всегда
меньше, чем в вакууме и зависит от свойств вещества
n –абсолютный показатель преломления среды.
[V]=м/с
С – скорость распространения волны в вакууме.
V и n зависят от длины волны.
С ≈ 300000 км/сек = 3 108 м/с.

Закон преломления света
http://edufuture.biz/images/e/e2/11kl_Prelom03.jpg

Положение определяющее нахождение колеблющейся точки в момент времени – фаза колебания.
λ - это расстояние между двумя точками вдоль распространения волны, находящимися в одной фазе колебаний.
Амплитуда А– предельное мах или мin значение отклонения колеблющейся частицы от нулевого уровня.
Длина волны λ – расстояние на которое распространится колебание за время, равное периоду, м.
λ=с/ν

Частота излучения ν –
число колебаний в единицу
времени (в 1 секунду),
измеряется в Герцах (Гц).
1 Гц=1с-1
Период Т–
время в течение
которого совершается одно
колебание: Т=1/ν ,с
x
Распространение э/м волн происходит в виде гармонического колебательного движения – периодического измерение какой-либо величины по закону синуса или косинуса

Гармоническое колебательное движение
- математически описывается
уравнением волнового процесса:
y(x,t)=A[2πsin(t/T-x/λ)+ϕ0]
где y(x,t) - отклонение колеблющейся величины от положения равновесия;
А - амплитуда, максимальное значение y(x,t) (см);
λ - длина волны (м),
Т - период колебания, (с)
ϕ0 - начальная фаза, определяющая значение в начальный момент времени, т.е. когда t=0.
x

Подведем итог:
Излучение имеет электромагнитную природу; распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн (периодических колебаний напряженности взаимосвязанных электрического и магнитного полей).
Напряженности электрического и магнитного полей характеризуются векторными величинами Е и В, Еи В перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны (вектор I)
Распространение волн в пространстве сопровождается переносом энергии по направлению распространения волны, т.е. вектор I

Лучистая энергия
Всякое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию, которую называют лучистой энергией.
Солнце мощный источник лучистой энергии, переносимой к Земле.
На каждый квадратный километр поверхности Земли в полдень солнце посылает ~700 000 кВт энергии.

Лучистую энергию измеряют в эргах (э) или джоулях (Дж). В практике нас интересует не энергия излучения W , а мощность лучистой энергии F- энергия, излучаемая в единицу времени:
dt
- промежуток времени, в течение которого излучение является равномерным.
F - мощность лучистой энергии или лучистый поток, ватт (Вт).

Оптические единицы:
Длина волны λ:
Микрометр (мкм) 10-6
Нанометр (нм) 10-9
Ангстрем (0А) 10-10
Частота ν:
Килогерц (КГц) 103 Гц
Мегагерц (МГц) 106 Гц
Гигагерц (ГГц) 109 Гц
Терагерц (ТГц) 1010 Гц

видимое – с длинами волн в диапазоне от 380 до 760 нм; излучение воспринимается нашим глазом как свет;
ультрафиолетовое – с длинами волн в диапазоне от 10нм до 380 нм; это излучение оказывает сильное действие на кожу человека, вызывая ее загар, на фотографические эмульсии, вызывая их почернение, и т. д.;
инфракрасное - с длинами волн в диапазоне от 760 нм до 1мм- это излучение обнаруживается по тепловому действию.

Видимое излучение
Излучения различаются между собой мощностью и спектральным составом.
Простейшим является однородное излучение с какой-либо длиной волны(λ)
Мощность такого излучения
Видимые излучения примерно одинаковой мощности при совокупном действии воспринимаются глазом как белый свет.
Дневной свет пример сплошного и равномерного излучения на всем видимом участке спектра.

Однородные излучения, действуя на глаз, вызывают ощущение того или иного цвета. Приближенные границы:

Если принять видность желто-зеленого излучения за единицу, то относительная видность других излучений может быть представлена в виде кривой
Спектральная чувствительность
глаза человека
синие и красные излучения, длины волн которых близки к границам спектра видимого излучения, вызывают относительно малое световое ощущение

Сравнение кривых дает понять, что глаз при сумеречном освещении наиболее чувствителен к зелено-голубым излучениям с длиной λ= 510 нм.
Кривые видности дневного и сумеречного зрения
Принята международным соглашением

Чтобы создать одинаковое зрительное ощущение (видность) необходимо мощность монохроматического синего излучения увеличить в 16,6 раз, красного излучения в 9,35 раза по сравнению с желто-зеленым

Фотометрические величины и единицы.
Световой поток люмен лм
Сила света кандела кд
Освещенность люкс лк
Яркость кандела на кд/м2 квадратный метр

Световой поток
- относительная видность однородных излучений, позволяет оценивать световое ощущение, вызываемое каким-либо монохроматическим лучистым потоком на глаз. Это ощущение будет пропорционально произведению лучистого потока на соответствующее значение относительной видности:
Фλ – световой поток монохроматического излучения с длиной волны λ, лм
c – постоянный множитель
kλ-относительная видность монохроматического излучения с длиной волны λ
Fλ-лучистый поток монохроматического излучения с длиной волны λ, Вт.
Фλ= c Fλ kλ

Световой поток Фλ представляет количественную характеристику лучистого потока, выражающую его способность производить световое ощущение, оцениваемое по относительной видности.
За единицу светового потока принят люмен (лм).
1 люмен - световой поток, излучаемый в единичном пространственном угле (стерадиане) равномерным источником; имеет силу света в одну свечу.
Экспериментальным путем установлено, что лучистый поток монохроматического излучения с длиной волны λ = 555 нм, равный 1 Вт, эквивалентен световому потоку, равному 683 лм:
Фλ= 683 Fλ kλ

Опытным путем установлено: Световому потоку 1 лм, образованному излучением с длиной волны λ = 0,555 мкм соответствует поток лучистой энергии 0,00146 Вт.
Величина 0,00146 Вт/лм называется механическим эквивалентом света.
Световому потоку 1 лм, образованному излучением с другой длиной волны соответствует поток энергии

Спектральная плотность солнечного излучения
Спектр это распределение интенсивности электромагнитного излучения солнца по длинам волн.
Спектром излучения тела называется график зависимости излучаемой энергии приходящейся на единицу длины волны от длины волны.
Максимум излучения солнца лежит в области видимого света

Тела, доведенные до одной температуры излучают неодинаковое количество энергии
Горящий уголь (черный излучатель) излучает больше энергии в видимой области спектра, чем поверхности нагретой стальной пластины или стекла, так как излучающие свойства зависят от поглощающих свойств материалов.
Это установил нем.физик Кирхгоф - ввел понятие о АЧТ, излучательная способность которого зависит только от четвертой степени температуры.

Интегральная энергетическая светимость А.Ч.Т. выражается-уравнением Стефана-Больцмана:
С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м2·К4).
[Ф]=Вт/м2
Интегральная энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени его температуры.
λmax=a/T
а =2896 мкм К
Согласно закону Вина положение максимума функции с ростом температуры смещается в область коротких длин волн:

определить качество спектра источника света(прерывный он или нет), можно с помощью самого обычного CD диска.

Единица измерения плоского угла - радиан
N
M
O
Радиан – угол (NOM), под которым видна из центра окружности дуга (NM), длиной равной радиусу окружности (NM =ON).
Полный угол равен
Следовательно, в окружности содержится 2π радиан

Единица измерения пространственного угла - стерадиан
Телесный угол – совокупность лучей исходящих из общей вершины, концы которых описывают замкнутую, непересекающуюся кривую на сфере, с центром в этой вершине.
Полный телесный угол равен

Сила света
I – пространственная плотность
светового потока, определяемая отношением
светового потока dФ к телесному углу dω
с вершиной в точке расположения источника,
в пределах которого равномерно распределен этот поток.
dФ – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла dω

1 Люмен равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света 1 кд в пределах телесного угла в 1 стерадиан.
Если сила света не зависит от направления, то источник света называется изотропным.
Единица силы света - кандела (кд)

Освещенность
1 лк = 1 лм/1 м2
1 люкс равен освещенности, создаваемой потоком
1 лм, равномерно распределенным по поверхности площадью 1 м2
α
n
dS
dω
Зависимость освещенности от силы света и от расстояния от источника
По определению
Отсюда:
[ Лк ] люкс

Для поверхностей, излучающих свет (например светящий потолок), аналогично понятию освещенности вводится понятие светимости М, под которой понимают поверхностную плотность излучаемого светового потока
1 лм/1 м2

Предварительное определение коэффициента естественной освещенности.
Пусть освещенность в какой-либо точке М, например, в помещении при естественном освещении равна EM. Пусть освещенность от открытого небосвода в этот же момент времени составляет EН . Отношение EM к EН , выраженное в процентах называется коэффициентом естественной освещенности (КЕО).
EM
EH

Яркость
Яркость – характеристика излучения или отражения света в заданном направлении.
n
ΔS
dω
Яркость– физическая величина, численно равная отношению силы света от элементарной поверхности ΔS в данном направлении к проекции площадки ΔS на плоскость перпендикулярную к взятому направлению.
Яркость измеряется непосредственно экспериментально, поэтому можно рассчитать световой поток.
кд/м2

Различают два случая определения яркости:
1Яркость в точке М поверхности источника:
2 Яркость в точке М поверхности приемника (глаза)

Непосредственное восприятие яркости глазом
Зрительное ощущение зависит от:
яркости светящейся поверхности;
раскрытия зрачка; глубины глаза.
Зрительное ощущение не зависит от расстояния до светящейся поверхности.
F

Примеры яркости светящихся элементов