Исмагилов Д.Г., Древалева Е.П. Театральное освещение

Подождите немного. Документ загружается.

Цветовая насыщенность определяется степенью различия ощущения

цветности заданного излучения от ощущения цветности белого. Цвето

вой тон излучения применим для оценки качества не только монохро

матических излучений, но и любого излучения со сложным спектром.

Экспериментально установлено, что возможно тождественное вос

произведение любого цвета смесью белого с монохроматическим. В со

ответствии с этим цветовой тон любого излучения обозначают длиной

волны того монохроматического излучения, которое в определённой

пропорции смеси с белым обеспечивает зрительное тождество с иссле

дуемым излучением. Долю монохроматического излучения, которое

обеспечивает в смеси с белым зрительное тождество с исследуемым из

лучением, называют чистотой цвета «p».

Трёхмерность цвета излучения и ощущения цвета определяется трёх

компонентностью органа зрения как приёмника излучения. Разработа

ны специальные математические системы для оценки и записи цвета

как некоторой трёхмерной величины, характеризующей действие излу

чения на средний глаз.

278

ПРИЁМНИКИ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Цвет излучения ощущение цвета

1. Яркость — количественная 1. Светлота

характеристика

2. Цветность — качественная 2. Цветоощущение

характеристика (ощущение цветности)

 цветовой тон  цветовая тональность

 чистота цвета  цветовая насыщенность

Источник излучения

Средний глаз

§ 4. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Источник света — излучатель электромагнитной энергии в оптичес

ком диапазоне спектра.

Различают естественные источники света — небесные светила, при

родные явления (атмосферный электрический разряд) — и искусствен

ные источники.

Искусственным источником оптического излучения называют уст

ройство, предназначенное для превращения какоголибо вида энергии

в электромагнитное излучение оптического диапазона: (

= 110

нм).

Напомним:

В зависимости от изменения длин волн и частот значительно меня

ются свойства излучений, определяемые энергией фотона (W

=h·

ν)

. Объ

единение излучений в группу оптического диапазона объясняется

единством принципов возбуждения оптических излучений и общнос

тью методов их преобразования и использования. Границы этого объ

единения условны и могут иметь небольшие разночтения в разных ли

тературных источниках.

Наибольшей частью оптической области является участок инфра

красных излучений с малыми значениями энергии фотона. Вследствие

этого инфракрасные излучения (ИК) в основном обнаруживаются по

их тепловому действию. ИКизлучения широко используются для на

грева и сушки, для приготовления пищи. С помощью электронноопти

ческих преобразователей ИКизлучения возможно зрительное воспри

ятие в темноте — приборы ночного видения. В отличие от ИК, ультра

фиолетовые излучения (УФ) обладают наибольшими значениями энер

гии фотонов. УФизлучения очень активно вступают во взаимодействие

с веществом.

Электромагнитное излучение всех длин волн обусловливается коле

баниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т.е. элек

тронов и ионов. При этом колебания ионов, составляющих вещество,

279

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

соответствуют излучению низкой частоты (инфракрасному; малая час

тота

⇒

длинные волны) вследствие значительной массы колеблющихся

зарядов. Излучение, возникающее в результате движения электронов,

может иметь высокую частоту (видимое и ультрафиолетовое излуче

ние), если эти электроны входят в состав атомов или молекул и удержи

ваются около своего положения равновесия значительными силами.

В металлах, где много свободных электронов, излучения последних

соответствуют иному типу движения; здесь нельзя говорить о колебани

ях около положения равновесия. Свободные электроны, приведённые в

движение, испытывают нерегулярное торможение, и их излучение при

обретает характер импульсов, т.е. характеризуется спектром различных

длин волн, среди которых могут быть представлены и волны низкой ча

стоты.

Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы

обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо

пополнять её убыль: в противном случае излучение будет сопровож

даться какимилибо изменениями внутри тела, и состояние излучаю

щей системы будет непрерывно изменяться. Указанные процессы могут

быть весьма разнообразны, и, следовательно, характер свечения может

быть различным.

Оптическое излучение возникает в результате перехода частиц веще

ства (атомов, ионов, молекул, валентных электронов) из возбуждённых

состояний, в которые они попадают в результате поглощения энергии

извне, в состояния с меньшей энергией. Частота возникающего излуче

ния определяется разностью энергий этих состояний. Пусть W

— энер

гия начального (до излучения) состояния, W

— энергия конечного

(после излучения) состояния, тогда частота испускаемых электрома

гнитных волн будет

=(W

–W

)/h.

Пусть W

– энергия начального (до излучения) состояния, W

–

энергия конечного (после излучения) состояния, тогда частота испус

каемых электромагнитных волн

= (W

– W

)/h:

где h = 6,626 · 10

L34

Дж·с — постоянная Планка.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ

В основе классификации лежит физический механизм генерации оп

тического излучения (ОИ).

280

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

281

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Тепловые источники.

Источники, основанные на преобразовании тепловой энергии в энер

гию ОИ. Нагревая тело, его можно заставить светиться. Если убыль энер

гии восполнять непрерывным сообщением соответствующего количест

ва тепла, то излучение можно поддерживать неизменным.

Примеры тепловых источников: все пламенные источники (свечи,

масляные лампы и др.), простые угольные дуги, лампы накаливания.

Собственно говоря, любое тело, если его температура отлична от аб

солютного нуля,* излучает. При комнатной температуре тело излучает

очень длинные инфракрасные волны.

Тепловые источники имеют низкий коэффициент полезного дей

ствия. Энергия, подводимая к тепловому излучателю для компенсации

энергии излучения и тепловых потерь в окружающее пространство, мо

жет иметь любую форму. Например, вольфрамовая спираль электричес

кой лампы накаливания поглощает энергию электрического тока.

2. Люминесценция.

Как уже указывалось, любое тело при температуре выше абсолютного

нуля посылает в окружающее пространство излучение, возникшее в ре

зультате неупорядоченного теплового движения молекул. Количествен

ные и качественные характеристики такого излучения определяются тер

модинамическими законами.

В некоторых случаях тело дополнительно к тепловым излучениям по

сылает в пространство излучения, возникающие в результате локализо

ванного возбуждения частиц (центров люминесценции). Как показывает

опыт, люминесцировать могут тела, находящиеся в любом агрегатном со

стоянии. Твёрдые и жидкие вещества, способные излучать свет под дей

ствием различного рода возбуждений, называются люминофорами.

Спектр люминесценции может состоять из отдельных линий (излучения

отдельных атомов и ионов), полос (излучение молекул) и непрерывных

участков (излучение твёрдых тел и жидкостей). При люминесценции воз

можно более эффективное преобразование подводимой энергии в ОИ,

чем при тепловом возбуждении, поскольку люминесценция в принципе

не требует нагрева тел.

В зависимости от способа передачи энергии люминесцирующим час

тицам или, как принято говорить, от способа их возбуждения различают

некоторые разновидности люминесценции.

1) Электролюминесценция — электрическое воздействие на излучаю

щую систему. Это свечение паров или газов под действием проходящего

через них электрического разряда. Поток электронов возбуждает нор

мальные атомы газа или пара, и те начинают светиться, отдавая избыточ

ную энергию.

Применение электролюминесценции: излучение разрядных источни

ков света, электролюминесцентные панели и светоизлучающие диоды.

Свечение люминофоров под действием пучка электронов достаточной

* Так называемым абсолютным нулём является 273 градуса по шкале Цельсия, 0 градусов по

Кельвину или  460° по Фаренгейту.

скорости называют катодолюминесценцией. Она используется в элек

троннолучевых трубках.

2) Фотолюминесценция — излучение под действием другого возбужда

ющего излучения (одновременного или предварительного). Свечение

люминесцентных красок (краски облучают УФизлучением, и они све

тятся), свечение люминофоров под действием УФ. Фотолюминесценция

люминофоров широко применяется в люминесцентных и других разряд

ных лампах.

3) Радиолюминесценция — оптическое излучение некоторых веществ

(люминофоров) под действием продуктов радиоактивного распада.

Источники этого типа не требуют внешних источников питания,

взрывобезопасны, имеют большой срок службы, но дают малые световые

потоки и яркости, достаточные только для освещения шкал приборов,

создания светящихся знаков и т.п. Светосоставы постоянного действия

представляют собой люминофор, смешанный с радиоактивными вещес

твами. В настоящее время для возбуждения используют радиоактивные

изотопы — тритий и прометий147, дающие только

излучение. Их до

стоинство в том, что электроны малой энергии полностью задерживают

ся даже тонкими защитными слоями вещества и не разрушают основу

люминофора. Яркость в зависимости от цвета состава достигает от 0,05 до

2 кд/м

. Яркость свечения падает по мере распада трития. Период полу

распада трития 12 лет, фактическая яркость падает за 6—7 лет. Светосос

тавы употребляются для изготовления самосветящихся красок. Они без

вредны, так как тонкий слой лака полностью поглощает

излучение.

4) Хемилюминесценция и биолюминесценция — оптическое излучение,

сопровождающее химические превращения внутри вещества или живого

организма. В этом случае испускание энергии идёт параллельно с изме

нением химического состава испускающей системы и уменьшением за

паса её внутренней энергии. Примеры: свечение гниющего дерева, свече

ние фосфора, медленно окисляющегося на воздухе, свечение светлячков,

глубинных рыб и др.

5) Триболюминесценция — оптическое излучение возникает в результа

те трения веществ друг о друга.

Существуют и другие виды люминесценции.

3. Источники смешанного излучения.

Здесь сочетаются механизмы как тепловых, так и люминесцентных

источников.

В театре в качестве источников света чаще всего используются элек

трические лампы: лампы накаливания (ЛН) и разрядные лампы (РЛ).

Рассмотрим подробнее принцип их действия.

Параметры электрических ламп:

 технические;

 эксплуатационные.

Технические параметры:

 светотехнические;

 электрические;

282

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 геометрические и конструктивные.

1. Светотехнические параметры:

L Световой поток Ф [лм].

L Сила света I [кд = лм/ср] — распределение силы света в простран

стве, задаваемое диаграммой направленности (кривая силы света).

L Яркость L [кд/м

] характеризует излучение поверхности светящего

ся тела по направлениям. Чем компактнее тело накала, тем выше его га

баритная яркость.

283

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

284

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

L Спектр излучения

∆

Указываются спектральные плотности вышепе

речисленных величин, т. е. распределение их по спектру.

Цвет излучения лампы дополнительно характеризуется цветовыми паL

раметрами:

 координатами цветности x, y;

 цветовой температурой Т

цв

;

 индексами цветопередачи R

, R

Цвет излучения ламп типа ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная)

оценивается так называемым «красным отношением».*

2. Электрические параметры:

 мощность лампы Р [Вт];

 рабочее напряжение на лампе, на которое она рассчитана U

[В];

 напряжение питания U

[В];

 ток I [А] и код тока (постоянный, переменный с частотой f).

Для разрядных ламп вводят ещё ряд параметров, характеризующих ра

боту пускорегулирующего аппарата (ПРА).

3. Геометрические и конструктивные параметры:

 габаритные и присоединительные размеры;

 высота светового центра, размеры и форма излучающего тела;

 форма колбы, её оптические свойства;

 тип цоколя, конструкция и размеры электродов и др.

4. Эксплуатационные параметры:

L коэффициент полезного действия лампы (КПД)

[%];

L световая отдача

[лм/Вт];

L срок службы

[час];

L условия эксплуатации.

КПД лампы

[%] характеризует энергетическую эффективность

лампы:

— весь энергетический поток в [Вт], даваемый лампой, — это УФ

+ свет + ИК;

Р — мощность, потребляемая лампой.

Световая отдача лампы

[лм/Вт] показывает, какая часть потребля

* «Красное отношение» — относительное содержание красного излучения, т. е.

отношение светового потока в красной области спектра (600 — 780 нм) к общему

световому потоку лампы, выраженное в %. Данный параметр характеризует разрядные

источники с низкой цветопередачей. Используется для «характеристики зрительной

работы по требованиям к цветоразличению». (Нормативы по естественному и

искусственному освещению — СНиП 230595).

«Красное отношение» считается высоким, если Фк > 10 %.

емой электрической энергии преобразуется в видимый спектр:

Ф — световой поток в [лм], Р — мощность, потребляемая лампой.

Лампы накаливания —

= 10 20 [лм/Вт],

Галогенные ЛН —

= 25 [лм/Вт],

Газоразрядные лампы —

= 30 200 [лм/Вт],

Люминесцентные —

= 50 80 [лм/Вт].

Задачей конструкторских разработок при проектировании новых

ламп является максимальное увеличение световой отдачи лампы — это

один из важных параметров экономичности лампы.

Для ламп накаливания:

1) Световая отдача увеличивается с увеличением мощности лампы.

2) При галогенном наполнении

лёгким газом (криптон) — световая отдача выше,

тяжёлым газом (аргон) — световая отдача ниже.

3) При понижении рабочего напряжения на лампе световая отдача

повышается, т. е. низковольтные лампы имеют большую световую отда

чу.

Схематично преобразование энергии в лампе можно представить

так:

Увеличивая светоотдачу, мы увеличиваем долю видимого излучения

в общем излучении лампы.

Срок службы лампы — основной показатель долговечности работос

пособности лампы. Зависит:

 от конструкторской разработки,

 от соблюдения технологического процесса изготовления лампы,

 от соблюдения условий эксплуатации.

Различают:



— полный срок службы (физический срок службы):

продолжительность горения лампы от начала эксплуатации до

полной или частичной утраты работоспособности (в ЛН — перегорание

нити, в РЛ — потеря способности зажигаться).

285

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ



— гарантированный срок службы:

паспортная характеристика — время, в течение которого свето

вые параметры лампы не выходят за пределы номинальных значений.



— полезный срок службы:

 время, когда спад светового потока достигает 50% от номи

нального значения;

 продолжительность горения лампы от начала эксплуатации до

момента ухода за установленные пределы одного из параметров, опре

деляющих целесообразность использования ламп данного типа;

 экономически оправданное выгодное время эксплуатации ис

точника; не надо ждать, пока перегорит лампа, её выгоднее сменить

(порой почерневшая ЛН продолжает работать, т. е. потреблять энергию,

как и прежде, но света почти не даёт).

ср

— средняя продолжительность горения:

отрезок времени, в течение которого вышло из стоя 50% ламп

из партии.

Кривая выхода ЛН из строя при испытании на срок службы называ

ется «кривой смертности ламп».

В процессе эксплуатации источника света наблюдается спад свето

вого потока. После 100 часов работы величина светового потока достигаL

ет номинального значения. Именно это значение указывается в катало

гах, по нему будут рассчитывать световой прибор, работающий с дан

ным источником.

286

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Количество

испытываемых

ламп

Начальный

световой поток

Номинальный

световой поток

ЛН —

= 1000 час ,

= 10—20 лм/Вт

ГЛН —

= 2000 час ,

= 25 лм/Вт

РЛ —

= 10 000 час

= 200 лм/Вт

Условия эксплуатации ламп. В технической документации на лампы

указываются:

 наличие механических воздействий при эксплуатации (нельзя тряс

ти или, наоборот, эксплуатация на транспорте предполагает наличие

вибраций);

 климатические условия:

 температура окружающей среды,

 атмосферное давление;

L рабочее положение лампы — допустимый рабочий угол.

О цветности света лампы свидетельствует её цветовая температура,

которая выражается по шкале Кельвина (0°К =  273°С).

287

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ