Физические основы архитектурной светотехники

1. Физические основы архитектурной светотехники.

Лекция
1

2.

2

3.

3

4.

4

5.

5

6.

6

7.

7

8.

8

9.

9

10.

10

11. 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.
11

12.

12

13. Свет- видимое излучение

Тела, от которых исходит свет называют
источниками излучения.
13

14.

14

15.

15

16.

16

17.

17

18. Световоды

ПРИЕМНИКИ СВЕТА
Гелиоприемники
18

19.

19

20.

20

21.

21

22.

22

23.

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, мыльные пузыри, о
23

24.

24

25.

25

26.

Преломление света
26

27.

27

28.

28

29.

29

30.

Редкое
оптическое
явление
• Гало
светящееся кольцо
вокруг солнца
Условия для гало
создали морозы и
скопление
кристаллов льда в
облаках
30

31.

31

32.

32

33.

33

34.

34

35.

35

36.

36

37. Химическое действие света

37

38. Химическое действие света

38

39.

39

40. Построения Гюйгенса для определения направления преломленной волны

Для случая преломления
света на границе вакуум–
среда волновая теория
приводит к следующему
выводу:
40

41.

41

42.

42

43.

43

44.

44

45.

45

46.

46

47.

47

48.

48

49.

49

50.

50

51.

51

52.

52

53. Волновые свойства излучения.

С – скорость распространения волны в вакууме.
С ≈ 300000 км/сек = 3 108 м/с.
V – скорость распространения волны в среде всегда
меньше, чем в вакууме и зависит от свойств вещества
[V]=м/с
C
n
V
n –абсолютный показатель преломления среды.
V и n зависят от длины волны.
53

54. Закон преломления света

http://edufuture.biz/images/e/e2/11kl_Prelo
m03.jpg
54

55.

Длина волны λ – расстояние на которое распространится
колебание за время, равное периоду, м.
=с/
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
55
уровня.

56.

ν
Частота излучения
–
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
V
V T
Распространение э/м волн происходит в виде
гармонического колебательного движения –
периодического измерение какой-либо величины по
закону синуса или косинуса
56

57. Гармоническое колебательное движение - математически описывается уравнением волнового процесса:

x
Гармоническое колебательное движение
- математически описывается
уравнением волнового процесса:
y(x,t)=A 2 sin(t/T-x/ )+ 0
где y(x,t) - отклонение колеблющейся величины от положения равновесия;
А - амплитуда, максимальное значение y(x,t) (см);
- длина волны (м),
Т - период колебания, (с)
0 - начальная фаза, определяющая значение в начальный момент времени, т.е.
когда t=0.
57

58. Подведем итог:

1.Излучение имеет электромагнитную природу;
распространяется в пространстве в виде электромагнитных
волн (периодических колебаний напряженности
взаимосвязанных электрического и магнитного полей).
2.Напряженности электрического и магнитного полей
характеризуются векторными величинами Е и В, Еи В
перпендикулярны друг другу и направлению
распространения волны (вектор I)
3.Распространение волн в пространстве сопровождается
переносом энергии по направлению распространения волны,
т.е. вектор I
58

59. 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.
59

60.

Лучистую энергию измеряют в эргах (э)
или джоулях (Дж). В практике нас
интересует не энергия излучения W , а
мощность лучистой энергии Fэнергия, излучаемая в единицу
времени:
dt - промежуток времени, в
течение которого
излучение является
равномерным.
F - мощность лучистой энергии или лучистый
поток, ватт (Вт).
60

61. Оптические единицы:

Длина волны :
Микрометр (мкм) 10-6
Нанометр (нм)
10-9
Ангстрем (0А)
10-10
Частота :
Килогерц (КГц)
Мегагерц (МГц)
Гигагерц (ГГц)
Терагерц (ТГц)
103 Гц
106 Гц
109 Гц
1010 Гц
61

62.

62

63. 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.;
видимое – с длинами волн в диапазоне от
380 до 760 нм; излучение воспринимается
нашим глазом как свет;
инфракрасное - с длинами волн в
диапазоне от 760 нм до 1мм- это
излучение обнаруживается по тепловому
63
действию.

64. 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
64
участке спектра.

65.

Однородные
излучения,
действуя на глаз,
вызывают
ощущение того или
иного цвета.
Приближенные
границы:
65

66.

Спектральная чувствительность
глаза человека
Если принять
видность желтозеленого излучения
за единицу, то
относительная
видность других
излучений может
быть представлена в
виде кривой
синие и красные излучения, длины волн которых
близки к границам спектра видимого излучения,
вызывают относительно малое световое ощущение
66

67.

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 зрения67
Принята международным соглашением

68.

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
68

69. Фотометрические величины и единицы.

Световой поток
Сила света
Освещенность
Яркость
люмен
кандела
люкс
кандела на
квадратный метр
лм
кд
лк
кд/м2
69

70. 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= c Fλ kλ
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
70
λ, Вт.

71.

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
71

72.

• 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
Фэ 0,00146 / V ( )
72

73. Спектральная плотность солнечного излучения

Спектр это
распределение
интенсивности
электромагнитного
излучения солнца по
длинам волн.
Максимум излучения
солнца лежит в области
видимого света
Спектром излучения
тела называется
график зависимости
излучаемой энергии
приходящейся на
единицу длины волны
от длины волны.
73

74.

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 74
температуры.

75.

Интегральная энергетическая светимость А.Ч.Т.
выражается-уравнением Стефана-Больцмана:
4
T
2
С0
[Ф]=Вт/м
100
С0 – коэффициент излучения
абсолютно черного тела,
равный 5,67 Вт/(м2·К4).
Интегральная энергетическая
светимость АЧТ
пропорциональна четвертой
степени его температуры.
Согласно закону Вина положение
максимума функции с ростом
температуры смещается в область
коротких длин волн:
max=a/T
а =2896 мкм К
75

76.

76

77.

77

78.

78

79.

79

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

80

81. Единица измерения плоского угла - радиан

Радиан – угол (NOM), под которым
видна из центра окружности дуга
(NM), длиной равной радиусу
окружности (NM =ON).
Полный угол равен
N
O
M
2 r
2
r
Следовательно, в окружности содержится 2π радиан
81

82. 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.
4 r
4
2
r
2
Полный телесный угол равен
82

83. 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
83

84.

Ф
I
4
Единица силы света кандела (кд)
Если сила света не зависит от направления, то источник
света называется изотропным.
1 Люмен равен световому потоку, излучаемому
изотропным источником с силой света 1 кд в пределах
телесного угла в 1 стерадиан.
84

85.

85

86.

86

87.

87

88.

88

89. Освещенность

dФпад
E
Лк люкс
dS
dω
α n
dS
1 люкс равен освещенности, создаваемой потоком
1 лм, равномерно распределенным по поверхности
площадью 1 м2
1 лк = 1 лм/1 м2
Зависимость освещенности от силы
света и от расстояния от источника
По определению
dФ I d
d dS cos / r
dФ I d I dS cos I cos
Отсюда: E
2
dS
dS
dS r
r2
2
89

90.

Для поверхностей, излучающих свет (например
светящий потолок), аналогично понятию
освещенности вводится понятие светимости М, под
которой понимают поверхностную плотность
излучаемого светового потока
Физл
М
S
1 лм/1 м2
90

91. 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
e
100%
EH
EH
EM
91

92. Яркость

Яркость – характеристика излучения или
отражения света в заданном направлении.
I
B
S cos
кд/м2
n
dω
ΔS
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.
I
dФ
B
S cos d S cos
Яркость измеряется непосредственно экспериментально,
поэтому можно рассчитать световой поток.
dФ B( , ) d S cos
92

93.

Различают два случая определения яркости:
1Яркость в точке М поверхности источника:
I
B
S cos
2 Яркость в точке М поверхности приемника (глаза)
E
B
93

94. Непосредственное восприятие яркости глазом

F
Зрительное ощущение зависит от:
F
E B 2
- яркости светящейся поверхности;
l
- раскрытия зрачка;
- глубины глаза.
Зрительное ощущение не зависит от расстояния до
светящейся поверхности.
94

95. Примеры яркости светящихся элементов

Светящийся элемент
Яркость, кд/м2
Облачное небо в зените в
полдень
7 000-8 000
Ясное небо в зените в полдень
2 500 -4 000
Луна при полнолунии
Пламя стеариновой свечи
Лампы ДРИ
Ксеноновые лампы
Солнце в зените
Лампы накаливания (100Вт)
Люминисцентные лампы
2 500
5 000 - 7 500
105
1,5 106 – 1,8 109
1,5 109
(0,5-15) 106
5 000 – 10 000
95

96.

96