Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng: Chương 1 - Vũ Việt Hưng

KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ

VŨ VIỆT HƯNG

Email: vvhung@utc2.edu.vn Phone: 0918-635-017

CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ

CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO

CHIẾU SÁNG NGOÀI NHÀ

CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ

Tòa nhà Landmark 81

A Brief History of Lighting Design

MỤC ĐÍCH & LỢI ÍCH CỦA CHIẾU SÁNG

8

9

C1: Những kiến thức chung về KTCS

1.1 Khái niệm về ánh sáng 1.1.1 Bản chất 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

1.2 Độ nhìn và các nhân tố ảnh hưởng 1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as 1.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhìn 1.2.3 As màu

Ánh sáng là gì?

•

Người

•

bình thường: “Ánh sáng là ánh sáng”

Euclid

(~300 BC, Hy Lạp):

•

Ibn Al

As truyền theo các đường thẳng và phản xạ. Mắt người phát ra các tia cho cảm giác sáng -Haytham (1020 A.D., Ả Rập): Tách riêng biệt As và sự nhìn; as là một vật liệu tạo ra bởi 1 nguồn sáng (lửa, mặt trời). As phản xạ từ vật thể đến mắt người tạo ra sự nhìn thấy

Ánh sáng là gì? (tt)

•

“Ánh sáng là các sóng”

•

Christiaan Huygens (~1670s, Hà Lan):

Isaac Newton

(~1700s, Anh):

“As là các hạt”

Ánh sáng là gì? (tt)

•

Thomas Young

(1801, Anh):

“Ánh sáng là các sóng”

•

giải thích sóng điện từ

James Clerk Maxwell (1873, Anh):

Ánh sáng là gì? (tt)

•

•

Max Planck Albert Einstein (1900, Đức): thuyết lượng tử (1905, Đức): photon

“Ánh sáng là các sóng và hạt”

1.1 Khái niệm về as

-

1.1.1 Bản chất xạ điện từ

Bản chất sóng

-

Bức 2

bản chất của BXĐT

Bản chất hạt

- Phạm vi thay đổi của bước sóng - Thế nào là as? + As đơn sắc + Phổ as liên tục → As trắng

1.1.1 Bản chất của AS (tt):

Ánh sáng chỉ là một phần của rất nhiều loại sóng điện từ bay trong không gian

AS LÀ MỘT DẠNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ VÙNG NHÌN THẤY

(Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than)

1.1 Khái niệm về as

1) Góc khối

2) Quang thông

3) Cường độ sáng

4) Độ rọi

5) Độ chói

6) Nhiệt độ màu

7) Chỉ số truyền đạt màu (CRI-Color Rendering Index) hoặc độ hoàn màu

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

GÓC KHỐI NHÌN ĐƯỜNG CONG (L) TỪ ĐỈNH O

1) Góc khối

Ω = ω

Ω = w

23

• Góc khối có giá trị lớn nhất khi tâm điểm nhìn toàn bộ

mặt cầu:

TỔNG QUÁT:

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

2) Quang thông

Nguồn sáng → Năng lượng bức xạ:

✓ Naêng löôïng naøy khoâng ñaëc tröng cho caûm giaùc veà cöôøng ñoä saùng maø chuøm böùc

xaï gaây ra treân maét ngöôøi

✓

Cùng

1 năng lượng → Bước sóng ≠ → Hiệu ứng ≠ (cảm nhận mắt người ≠)

✓

Theo HCSQT, QT là tác động của bức xạ lên mắt có độ nhạy phổ được tiêu chuẩn hoá bằng hàm hiệu quả as phổ tương đối (V(λ))

W

Đơn vị: lumen (lm)

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

2) Quang thông

QT là lượng as do nguồn sáng phát ra

QT là đại lượng trắc quang cho biết công suất bức xạ của chùm AS phát ra từ 1 nguồn sáng điểm → thể hiện khả năng phát sáng của 1 bóng đèn

1 lumen là QT của 1 nguồn sáng điểm có cường độ as 1 Candela phát ra trong 1 đơn vị góc khối (1Sr)

1 lumen là QT của 1 nguồn sáng phát ra trên một đơn vị vuông của bề mặt hình cầu

QT là lượng as do nguồn sáng phát ra

555nm là bước sóng có khả năng gây cảm giác thị giác tốt nhất

Nguồn: 2009-ref-manual-lighting.pdf

Một lumen bằng 1/683 của 1 Watt năng lượng bức xạ tại 555 nm

LIGHT

- The part of the electromagnetic spectrum that can be perceived by the eye.

- region of visible light extends from 380 to 760 nanometers

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

3) Cường độ sáng

Cường độ as theo hướng x = tỷ số QT phát ra trong 1 đơn vị góc khối theo hướng x (hướng xác định)

→ Cöôøng ñoä saùng I laø ñaïi löôïng ñaëc tröng cho khaû naêng phaùt saùng cuûa nguoàn ñieåm treân töøng phöông.

32

•

•

Cường độ ánh sáng Candela (cd) Ký hiệu: I; Đơn vị: Mật độ không gian của quang thông do nguồn sáng phát ra theo một hướng

Neáu coi nhö quang thoâng phaân boá ñeàu

trong toaøn goùc khoái:

(S là DT mặt cầu, tâm O, bk là R)

1 cd = 1 lm/ 1steradian

Candela là cường độ sáng theo 1 phương đã cho của nguồn phát bức xạ đơn sắc có tần số f=540Hz (x1012)(𝞴=555nm) và cường độ năng lượng theo phương này là 1/683 W/Sr

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

4) Độ rọi

Mật độ QT trên bề mặt được chiếu sáng (hay số lumen trên 1 ĐV diện tích)

Độ sáng trên bề mặt được CS

Đơn vị: lux (lx);

1lux=1lm/m2

```

A lux meter for measuring illuminances

•

tính toán thiết kế CS trong nhà Khi cần yêu cầu về độ rọi theo Tiêu chuẩn nhà nước.

(Nguồn: Artificial lighting.pdf)

ϴ = α

40

Độ rọi E (lx hoặc lux)

•

Mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu sang:

41

→ Độ rọi tỷ lệ với cường độ sáng (I) và tỷ lệ nghịch với khoảng cách đến bề mặt chiếu sáng (R)

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương

→ xác định quan hệ giữa cường độ sáng từ 1 điểm nguồn và khoảng cách. cường độ ánh sáng trên mỗi đơn vị diện tích tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách tính từ nguồn (về bản chất là bán kính).

E = I / d2

Trong đó E = độ chiếu sáng (độ rọi), I = cường độ sáng và d = khoảng cách Một cách viết khác:

E1 d1² = E2 d2²

Khoảng cách được đo từ điểm kiểm tra đến bề mặt phát sáng đầu tiên – dây tóc của bóng đèn trong, hoặc vỏ thủy tinh của bóng đèn mờ.

Ví dụ: Nếu đo cường độ sáng của một bóng đèn tại khoảng cách 1,0 mét được 10,0 lm/m² thì mật độ thông lượng tại điểm chính giữa của khoảng cách đó sẽ là bao nhiêu? Lời giải: E1m = (d2 / d1)² * E2 = (1.0 / 0.5)² * 10.0 = 40 lm/m²

47

Kiểm tra độ rọi

48

•

Nguồn sáng đường

49

•

Tại điểm Q trên bề mặt làm việc cách điểm P một khoảng l:

50

•

Điểm P tại một số vị trí đặc biệt

51

Quang thông (Φ) và cường độ sáng (I):

✓

Đơn

vị quốc tế của cường độ sáng I là Candela (cd).

✓ 1 lumen bằng QT chiếu sáng trên mỗi m2 của 1 hình cầu có bán kính 1m khi 1 nguồn ánh sáng đẳng hướng 1 Candela (nguồn phát ra bức xạ đều nhau tại mọi hướng) có vị trí tại tâm của hình cầu.

Do diện tích của hình cầu có bán kính r là 4πr2, một hình cầu có bán kính là 1m có diện tích là 4π (m2 ) → tổng quang thông do nguồn 1cd phát ra là 4π (lm).

Vì vậy QT do 1 nguồn ánh sáng đẳng hướng có cường độ I sẽ

được tính theo công thức:

Quang thông (lm) = 4π × cường độ sáng(Cd)

lumen, tập trung tại một diện tích 1m2, chiếu sáng diện tích đó với

❑

1000 lumen chiếu sáng trên diện tích 10m2 sẽ tạo ra độ chiếu

1000 độ chiếu sáng là 1000 lux. Cũng sáng mờ hơn, chỉ có 100 lux.

Sự khác nhau giữa lux và lumen là lux phụ thuộc vào diện tích mà quang thông trải ra. ❑

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

5) Độ chói

Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ 1 đơn vị diện tích của bề mặt đó theo 1 hướng xác định đến 1 người quan sát Đặc trưng cho khả năng bức xạ ÂS của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sang với mắt

Đơn vị: cd/m2

1 cd/m2 là độ chói của 1 mp phát sáng đều có diện tích 1m2 và có cường độ sáng 1Cd theo phương vuông góc với nguồn đó

5) Độ chói

- Độ chói L của 1 bề mặt phát sáng dS theo 1 hướng khảo sát = cường độ sáng dI theo hướng đó / diện tích mặt bao nhìn thấy dS từ hướng đó

- Độ chói phụ thuộc:

+ Tính chất phản quang của bề mặt (VD bóng đèn trong vs mờ) + Hướng quan sát (VD nhìn đèn pha xe máy: trực tiếp và các góc nghiêng khác nhau)

- Vai trò độ chói trong thiết kế chiếu sáng:

+ Cơ sở khái niệm về tri giác và tiện nghi nhìn + Tiêu chuẩn đầu tiên (độ chói trung bình của mặt đường) đánh giá chất lượng của CS đường phố

Trong thiết kế CS đường phố, mặt tiền nhà,…căn cứ vào yêu cầu ĐỘ CHÓI

Neáu nguoàn saùng coù ñoä choùi L khoâng phuï thuoäc theo phöông (L= const) thì ñöôïc goïi laø nguoàn Laêmber.

(J. Lambert laø nhaø toaùn hoc ngöôøi Ñöùc 1728-1777).

❑

vaät ñen tuyeät ñoái vaø nhöõng vaät khueách taùn AS ñeàu theo moïi phöông môùi laø nhöõng nguoàn

❑

Chæ coù Laêmber. Nhöng trong thöïc teá, caùc boùng ñeøn

phuû magieù oxyt hay chuïp thuûy tinh maøu traéng söõa coù theå coi

gaàn ñuùng laø nhöõng nguoàn Laêmber.

L = .E / 

L = .E / 

• • “The outward flow of luminous energy from a light source

•

in all directions per unit of time.” Gross total quantity of light given off by a source regardless of the direction. It is measured in lumens. Symbol: Φ

Luminous Flux

•

•

“luminous flux to be emitted

Luminous Intensity The directional force causing from a source” in a given direction. It is measured in candelas. Symbol: I

•

•

•

“density of luminous flux” received by a surface is

Illuminance The illuminance. It is measured in lux (lumens per square meter) or fc (lumens per square foot) Symbol: E

•

•

Luminance The intensity of light that is received by the eye of an observer. This is dependent upon the direction. It is measured in candelas per square feet or candelas per square meters. Symbol: L

References 1. Joseph B. Murdoch, Lighting Metrics TM-1-99, (New York: Illuminating Engineering Society of North America, 2001).

ĐỘ RỌI

PHẢN ÁNH CHẤT LƯỢNG CS

ĐỘ CHÓI

PHẢN ÁNH SỐ LƯỢNG CS

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

6) Nhiệt độ màu

Nhiệt độ màu của 1 nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của as do nó phát ra.

Theo Hiệp hội kỹ thuật CS bắc Mỹ (IESNA), nhiệt độ màu là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen có phổ bức xạ giống như phổ của nguồn sáng.

VD: nung 1 thanh sắt

Nguồn sáng ấm, trung tính, lạnh (mát)

Color Temperature (basics of light.pdf)

•

1000 độ Một chất bắt đầu phát ra ánh sáng đỏ ở K, trở nên trắng ở 5000°K và chuyển sang xanh ở nhiệt độ cao hơn.

6) Nhiệt độ màu

Khi thiết kế chiếu sáng, cần phải chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng phù hợp với đặc điểm tâm-sinh lý người.

Biểu đồ Kruithof (1941) cho phép lựa chọn màu sắc nguồn sáng trắng theo độ rọi đã cho trong môi trường tiện nghi.

Bảng tác động tâm lý của màu sắc lên con người

1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản

7) Chỉ số truyền đạt màu (độ hoàn màu) (1965)

Màu sắc của các vật thể bị biến đổi dưới các as khác nhau.

CRI của 1 nguồn sáng (bóng đèn) là chỉ số thể hiện mức độ tương đương giữa sự nhận biết bằng mắt vật được chiếu sáng bằng nguồn sáng chuẩn và nguồn sáng thử trong những điều kiện quan sát nhất định. CRI (%) → AS ban ngày: CRI = 100%

• Là đại lượng đánh giá mức độ trung thực thể về màu sắc của không gian và vật được cs dưới as của bóng đèn so với as tự nhiên của mặt trời.

Việc cho rằng nhiệt độ màu và độ hoàn màu đều cùng mô tả những đặc tính giống nhau của đèn là một quan niệm sai lầm. Cần nhắc lại rằng nhiệt độ màu mô tả sự biểu hiện màu sắc của nguồn ánh sáng và ánh sáng được phát ra từ đó. Độ hoàn màu mô tả mức độ chính xác mà ánh sáng biểu hiện màu trên các vật thể.

SỰ NHÌN ???

ThÞ gi¸c

cường ®é s¸ng I [cd]

đé chãi L [cd/m²]

quang th«ng F [lm]

đé räi E [lux]

Sự nhìn

Đ¹i lưîng tr¾c quang

1.2 Độ nhìn và các nhân tố ảnh hưởng

1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as

1) Cấu tạo mắt người

→ tín hiệu điện)

- - -

Sự nhìn? (kích thích quang học Các bộ phận chính Cơ chế hoạt động của mắt

Chúng ta cảm nhận được màu sắc nhờ ánh sáng phản chiếu từ vật thể và đi đến mắt của chúng ta.

(Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than)

1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as

2) Thị giác ban ngày & thị giác hoàng hôn

- Cảm giác sáng - 2 loại tế bào trên võng mạc

khả năng cảm nhận màu sắc (L ≥ 3-5 Cd/m2)

+ Tế bào hữu sắc (tế bào nón): liên quan

quan đến khả năng phân biệt độ sáng tối (L ≤ 0.005-0.01 Cd/m2)

+ Tế bào vô sắc (tế bào gậy hay que): liên

- Quá trình thích nghi khi E thay đổi

- Thị giác ban ngày (E≥10lx) - Thị giác hoàng hôn (E≤0.01lx)

1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as

3) Cực cận và cực viễn của mắt

- Khi quan sát vật: thủy tinh thể tự động điều chỉnh độ cong

- Khả năng điều chỉnh của mắt có giới hạn

+ Cực cận: kc min mà ảnh của vật cần nhìn nằm ngay trên võng mạc

+ Cực viễn: vô cùng

1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn

1) Góc nhìn và năng suất phân ly

- Góc nhìn: góc tạo bởi 2 đt nối điểm đầu và điểm chân của vật quan sát đến quang tâm của mắt

- Góc nhìn nhỏ nhất đủ để mắt nhìn thấy vật quan sát = năng suất phân ly = góc nhìn cực tiểu giới hạn

1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn

2) Độ tương phản

VD: đặt tờ giấy trắng trên 2 mặt bàn có màu khác nhau: đen và trắng

Độ tương phản phụ thuộc: + Độ chói của nền + Kích thước vật + Màu sắc vật

C≥0.1: mắt có thể phân biệt được vật đặt trên nền

1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn

3) Khoảng cách vật quan sát đến mắt

Khoảng cách đến mắt khác nhau → khả tiết khác năng phân biệt màu sắt, chi nhau: do tính chất không trong suốt của không khí.

1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn

4) Thời gian quan sát

- Đủ thời gian cho mắt thích nghi với ánh sáng trên vật và bối cảnh.

- Quá trình thích nghi phụ thuộc vào cường độ as của 2 môi trường chuyển tiếp + Quá trình thích nghi tối + Quá trình thích nghi sáng

Age Effects ???

Age Effects

•

Độ tuổi: 20-30 (hầu hết các các Tiêu chuẩn)

Age Effects (cont)

1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn

5) Hiện tượng chói loá

- Sự suy giảm khả năng nhìn (do nhiễu) hay làm mất hoàn toàn khả năng nhìn (do mất tiện nghi nhìn)

1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn

5) Hiện tượng chói loá (tt)

+ Độ chói min mắt nhìn thấy: L=0.01 Cd/m2

+ Phân biệt được màu sắc: L≥3Cd/m2

+ Độ chói bắt đầu gây lóa: L=5.000 Cd/m2

1.2 Độ nhìn và các nhân tố ảnh hưởng

1.2.3 As màu

1) Tính 3 biến của thị giác

Chất lượng as = sự thụ cảm tâm sinh lý của mắt người quan sát đối với màu sắc của as

Chất lượng as có thể đặc trưng bằng 3 thông số:

+ Độ chói của as + Độ hiện màu + Độ thuần khiết của as trắng

Đặc trưng đặc điểm sinh lý của mắt khi cảm nhận as

2) Tính 3 màu của as trong cảm nhận thị giác

Trong maét ngöôøi coù 4 loaïi teá baøo caûm thuï maøu cuûa aùnh saùng:

+ Loaïi troäi vôùi maøu ñoû

+ Loaïi troäi vôùi maøu xanh da trôøi + Loaïi nhaïy caûm vôùi caû 3 maøu →

+ Loaïi troäi vôùi maøu xanh laù

cho caûm giaùc veà ñoä choùi cuûa maøu

→ Khi 3 loaïi teá baøo caûm quang treân phaûn öùng khoâng ñeàu seõ cho ta caûm giaùc maøu coù saéc, coøn khi phaûn öùng cuûa chuùng ñeàu nhau seõ cho ta caûm giaùc maøu voâ saéc.

(Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than)

2) Tính 3 màu của as trong cảm nhận thị giác

Neáu❖

ñaët 2 maøu lieàn nhau treân neàn traéng, maét seõ thaáy hoãn hôïp: 2 maøu ñôn saéc vaø 1 hoãn hôïp maøu coù böôùc soùng trung gian giöõa 2 maøu ñôn saéc ñoù.

Vd: AS maøu xanh da trôøi ( = 436 nm) AS maøu vaøng ( = 580 nm)

AS maøu xanh laù ( = 546 nm)

Neáu❖

choïn ñöôïc 3 maøu cô baûn (sao cho 2 trong 3 maøu ñoù coù böôùc soùng ôû 2 ñaàu cuûa phoå nhìn thaáy) thì khi hoãn hôïp 3 maøu vôùi lieàu löôïng hôïp lyù seõ cho maét caûm nhaän ñöôïc taát caû caùc maøu saéc.

Naêm 1931, UÛy hoäi chieáu saùng quoác teá

(C.I.E) xaùc ñònh 3 maøu cô baûn:

Maøu ñoû (Red) – R ( = 700 nm) Ø Maøu xanh laù (Green) – G ( = 546 nm) Ø Maøu xanh da trôøi (Blue) – B ( = 436 nm)

(Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than)

(Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than)