2019年一級(jí)建筑師《物理與設(shè)備》備考知識(shí)點(diǎn)(8)

建筑采光和照明原理

一、光的特性和基本量

(一)光的本質(zhì)與特性

“光”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，可從兩方面去理解。若從客觀物理意義上去理解，則光指的是以電磁波形式傳播的輻射能若從人的主觀感覺(jué)去理解，則光指的是由能夠?yàn)槿搜鬯杏X(jué)到的可見(jiàn)光譜的輻射能刺激眼睛所引起的“亮”的感覺(jué)。

(1)可見(jiàn)光波長(zhǎng)為380nm至780nm，單位為nm納米，也即毫微米，1nm=10-9m.波長(zhǎng)大于780nm的紅外線、微波、無(wú)線電波等，以及波長(zhǎng)小于380nm的紫外線、x射線等，都不能為人眼所感知。

(2)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光有不同的敏感度。人眼的這種特性可見(jiàn)光譜光視效率曲線表示。

從圖21可看出，對(duì)于明視覺(jué)(即處在光亮環(huán)境下)，人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光最敏感。這意味著該種波長(zhǎng)的光能引起人眼最強(qiáng)的亮感;而對(duì)于暗視覺(jué)(即處在較暗環(huán)境中)，則人眼對(duì)波長(zhǎng)為507nm的藍(lán)綠光最敏感。

(3)人眼具有感知顏色的能力，稱(chēng)為色覺(jué)。人眼對(duì)780nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光能夠產(chǎn)生不同的顏色感覺(jué)。隨著波長(zhǎng)的不同，可區(qū)分出紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色，見(jiàn)表2-1.

(二)基本光度單位

在光環(huán)境設(shè)計(jì)中，需要一些物理量來(lái)進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量。這些物理量以光通量為基礎(chǔ)，構(gòu)成光計(jì)量體系，其中最基本的有光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度和亮度等。在介紹這些物理量之前，先介紹球面度(Sr)的概念

1.球面度(Sr)

球面度是用于測(cè)量三維或固體角度的單位。1球面度的定義為在半徑為r的球心處，一表面積為r2的球面所形成的立體角(圖2-2)。球面總面積是4πr2，因此，球中心處共有4π球面度(4πr2/r2=4π)。

2.光通量

光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的可見(jiàn)光的能量，用符號(hào)φ表示，單位是流明(lm)φ=Km∫φe(λ)V(λ)dλ(2-1)

式中φe(λ)——波長(zhǎng)為λ的單色輻射光通量，W;

V(λ)——可見(jiàn)光光譜光視效率，見(jiàn)圖2-1;

Km——最大光譜光視效率，對(duì)明視覺(jué)而言，在λ=555nm處，其數(shù)值為683lm/W，即1光瓦=683lm.

在建筑環(huán)境光學(xué)中，常用光通量表示光源發(fā)出的光能的多少。例如，100W普通白熾燈發(fā)出1250lm的光通量，40W日光熒光燈約發(fā)出2200lm的光通量等。

3.發(fā)光強(qiáng)度

光源在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度是光源在該方向單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。它表示光通量的空間密度，用符號(hào)I表示，單位是坎德拉(cd)。

設(shè)光源在某一方向的小立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的光通量為，則該方向的發(fā)光強(qiáng)度I為：I=dφ/dΩ(2-2)

式中dφ——光通量，lm;

dΩ——立體角，Sr.

坎德拉表示光源在1球面度立體角內(nèi)均勻發(fā)出llm的光通量，即lcd=11m/1Sr.

4.照度

照度指光源落在單位被照面上的光通量，用符號(hào)E表示，單位是勒克斯(1x)。

設(shè)被照面上一個(gè)面積微元ds上接收到的光通量為dφ，則該處的照度為：E=dφds(2—3)

式中dφ——光通量，lm;

ds——面積微元，㎡。

照度是用來(lái)衡量被照表面受到光照射程度的一個(gè)基本光度量，即被照表面的光通量密度。勒克斯等于llm的光通量均勻分布在1㎡的被照面上所形成的照度，即llx=llm/1㎡.例如，40W白熾燈下1m處的照度為301x;晴天戶(hù)外中午陽(yáng)光下照度可達(dá)80000～1200001x。

5.亮度

亮度是受到發(fā)光體或一個(gè)反射表面的光刺激的物理量。它產(chǎn)生一個(gè)主觀亮度感覺(jué)。亮度可定義為發(fā)光表面在視線方向上單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度，用符號(hào)Lα表示，單位是坎德拉每平方米(cd/㎡)，也稱(chēng)nt(尼脫)，Int=lcd/㎡.Lα=Iα/(A·cosα)(2-4)

式中Iα——發(fā)光表面朝視線方向的發(fā)光強(qiáng)度，單位是cd;

A·cosα——發(fā)光表面在視線方向的投影面積，單位是㎡。

例如，熒光燈管的亮度約為0.1—0.6X104cd/㎡，白熾燈的亮度約為0.15X104cd/㎡，蠟燭光的亮度約為0.5cd/㎡。

(三)基本光度量間的關(guān)系

1.發(fā)光強(qiáng)度與照度

光源在某一表面產(chǎn)生的直達(dá)光成分可用以下兩個(gè)照度定律來(lái)計(jì)算：

(1)照度的平方反比定律：E=I/r2

式中r——光源至被照面的距離;

I——光源的發(fā)光強(qiáng)度。

式(2—5)適用于點(diǎn)光源形成的照度，它表明，某點(diǎn)光源在離開(kāi)它rm的被照面上所形成的照度，與其發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與光源至該表面的距離的平方成反比。上式也反映了發(fā)光強(qiáng)度I與照度E的關(guān)系。

(2)照度的余弦定律

上述定律，是在被照面與入射光線相垂直的情況下得出的，若光線是以任意角α射至被照平面上時(shí)，照度還應(yīng)通過(guò)乘以?shī)A角的余弦來(lái)修正，因?yàn)檫@時(shí)光通量分布在一個(gè)更大些的面積上。這時(shí)，被照面的照度可以寫(xiě)成Eα=E·cosα，于是，距離平方反比定律修正為：

2.照度與亮度

照度與亮度的關(guān)系由立體角投影定律表明：E=Lα·Ω·cosθ(2-7)

式中Lα——發(fā)光表面的亮度;

Ω——發(fā)光表面在與其平面法線成。角的方向上所張的立體角，n=Acosa/r2;

A——發(fā)光表面的面積;

r——發(fā)光表面中心與被照表面中心的距離;

θ——光線在被照表面上的入射角。

式(2—7)表明，某發(fā)光面在被照面上形成的照度與發(fā)光面的度成正比，也與發(fā)光面在被照面上所張的立體角的投影成正比。只要發(fā)光面在被照面上的立體角投影相同，則這些發(fā)光面在被照面上形成的照度也相同，而與發(fā)光面的面積無(wú)關(guān)。