Глава 17 некоторые сведения из авиационной светотехники

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

17.1. Энергетические и световые величины

Световые приборы осветительного и светосигнального оборудования ЛА при работе дают ультрафиолетовое, видимое невооруженным глазом и инфракрасное излучения. Ультрафиолетовое излучение используют для облучения надписей, покрытых светосоставом, видимое - для освещения и сигнализации, инфракрасное - для сигнализации и в системах наблю­дения. Ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 10 до 330 нм, видимое - от 380 до 760 нм и инфракрасное - от 760 до 4·10⁵ нм составляют оптическую область спектра электромагнитных излучений. Для количественной оценки излучения оптической области спектра исполь­зуют энергетические и световые величины (табл. 17.1). Энергетические величины характеризуют излучение всей оптической области, а световые величины - излучение только видимого участка оптической области спектра. Энергетические и световые величины обозначаются одними и теми же символами, поэтому для их различения к символам энергети­ческих величин добавляется индекс е. Каждой энергетической величине соответствует световая величина, образованная в результате оценки излу­чения стандартным фотометрическим наблюдателем, под которым пони­мают приемник излучения, кривая относительной спектральной чувстви­тельности которого соответствует функции V(λ) (рис. 17.1, а, кривая 1).

Спектральная чувствительность глаза g_λ = dG /dФ_λ, где dG - световая реакция глаза; dФ_λ - монохроматическое излучение. Монохроматическим называют излучение, сосредоточенное в одной спектральной линии 1 или 2, или 3 (рис. 17.1,6). Глаз обладает наибольшей спектральной чувствительностью к излучению с длиной волны λ = 555 нм. При этом излучение мощностью в 1 Вт оценивают в световых единицах измерения как 683 лм. Отношение спектральной чувствительности глаза к излучению с длиной волны λ_i к спектральной чувствительности глаза к излучению с длиной волны λ=555 нм есть функция V(λ)= g_λi/ g_λ=555. Зная эту функцию, можно определить спектральную чувствительность глаза к излучению с длиной волны λ_i по формуле g_λi =g_λ=555 V(λ).

Световой поток - это величина, образованная от лучистого потока при оценке его стандартным фотометрическим наблюдателем. Если из­вестен монохроматический лучистый поток, то монохроматический свето­вой поток:

Ф_λ =g_λ=555 V(λ) Ф_еλ,

где g_λ=555 - максимальная чувствительность глаза (g_λ=555=683 лм/Вт); Ф_еλ - монохроматический лучистый поток, Вт.

Для источников с непрерывным спектром световой поток (в лм):

,

где φ_е - спектральная плотность лучистого потока, взятого в бесконечно малом интервале, содержащем заданную длину волны, к ширине этого интервала (φ_е = dФ_е/dλ).

Лучистый поток может иметь различный спектр излучения. На рис. 17.1 изображены линейчатый (б), полосатый (в) и непрерывный (г) спектры излучения. Сложное излучение есть сумма монохроматических излучений:

.

Если известна спектральная плотность лучистого потока φ_е, лучистый поток источника с непрерывным спектром

,

где λ₁ и λ₂ - пределы интегрирования.

17.2. Оптические характеристики материалов

В вакууме лучистый поток распространяется без потерь. При рас­пространении лучистого потока в атмосфере наблюдаются его отражение, поглощение и преломление.

Для общего случая взаимодействия излучения со средой если моно­хроматический поток Ф_0λ распространяющийся в телесном угле Ω, про­ходит через неоднородную среду (вещество), он распадается на четыре частичных потока: Ф_ρλ - отраженный, Ф_αλ - поглощенный, Ф_mλ - рассеян­ный и Ф_τλ - прошедший. Отношения монохроматических частичных пото­ков к монохроматическому потоку, входящему в среду, называют спект­ральными коэффициентами: Ф_ρλ/Ф_0λ = ρ_λ - отражения; Ф_αλ/Ф_0λ = α_λ - погло­щения; Ф_mλ/ Ф_0λ = m_λ - рассеяния; Ф_τλ/Ф_0λ = τ_λ - пропускания.

Если в среду входит сложный поток, его взаимодействие со средой оценивают интегральными коэффициентами: Ф_ρ/Ф₀ = ρ - отражения; Ф_α/Ф₀ = α - погло­щения; Ф_m/Ф₀ = m - рассеяния; Ф_τ/Ф₀ = τ - пропускания.

Иногда рассеянный поток отдельно не учитывают, а приплюсовывают его к поглощенному и вышедшему потокам и оценивают свойства среды (вещества) тремя коэффициентами: отражения, поглощения и пропускания. Частичные потоки Ф_ρ, Ф_α, Ф_τ зависят от спектрального состава излучения и физических свойств среды. Поэтому свойства среды можно характери­зовать спектральными или интегральными коэффициентами. В табл. 17.2 приведены значения интегральных коэффициентов для некоторых веществ.

Таблица 17.2

Интегральные коэффициенты отражения ρ, поглощения α и пропускания τ некоторых веществ

Для создания определенной направленности излучения в световых приборах применяют отражатели. Их материалы должны иметь наиболь­шие значения коэффициентов отражения. Такими свойствами обладают металлы, окись магния, мел и др. Конструктивно отражатели выполняют металлическими или стеклянными с металлическим покрытием. Из металлов наибольшее значение коэффициента отражения имеет полирован­ное серебро (0,93), но его в отражателях использовать нельзя: оно покрывается пленкой окислов и теряет свои отражательные свойства. Отражатели выполняют из алюминия или покрывают алюминиевой крас­кой. Коэффициент отражения полированного алюминия равен 0,75-0,8, а коэффициент отражения алюминиевой краски - 0,55. Поверхности в ка­бине экипажа ЛА (щитки, приборные доски, пульты, панели) имеют муаровое покрытие для создания диффузного отражения. Коэффициент отражения этого покрытия ρ ≤ 0,1.

Земные покровы, на которые совершает посадку ЛА - вещества с не­однородной структурой и шероховатой поверхностью, поэтому они имеют равномерно-диффузное отражение и небольшие значения коэффициентов отражения.

Коэффициенты отражения земных покровов для видимых излучений (Без скобок - для поверхности сухой, в скобках - для влажной.)

Трава зеленая 0,14 (0,09)

Бетон 0,17 (0,1)

Асфальт 0,1 (0,07)

Снег 0,78 (-)

Поскольку вода хорошо поглощает излучение видимого участка спектра, влажные покровы имеют меньший коэффициент отражения, чем сухие, а за счет пленки воды на поверхности влажные покровы имеют направ­ленно-рассеянное отражение.

Различают направленное, направленно-диффузное и равномерно-диф­фузное пропускание. Когда размеры частиц внутренней структуры ве­щества намного меньше длины волны излучения, происходит направлен­ное пропускание. При нем пространственный угол, внутри которого распространяется поток, вышедший из среды, равен пространственному углу падающего излучения. Направленным пропусканием обладают проз­рачные стекла, гладкие светофильтры, объективы и окуляры, направленно-диффузным пропусканием - матовые стекла, имеющие матировку на вы­ходящей поверхности. При равномерно-диффузном пропускании простран­ственный угол прошедшего потока равен 2π. Равномерно-диффузным пропусканием обладает молочное стекло (прозрачное стекло, внутри которого во взвешенном состоянии находятся частицы с другим показа­телем преломления).

На практике излучение источника света проходит несколько свето­фильтров (сред), прежде чем достигнет приемника излучения. Взаимодей­ствие излучения со средой ослабляет его. На рис. 17.2 показаны светофильт­ры 1-3 с коэффициентами пропуска­ния τ₁ - τ₃.

Первоначальное излучение (лампа накаливания) Ф₀ проходит через эти светофильтры, излучение Ф_τ3 воспринимается приемником (глазом). Так как Ф_τ1/Ф₀=τ₁; Ф_τ2/Ф_τ1=τ₂; Ф_τ3/Ф_τ2=τ₃, то после перемножения правых и левых частей этих равенств имеют

(Ф_τ1/Ф₀)(Ф_τ2/Ф_τ1)(Ф_τ3/Ф_τ2)= τ₁τ₂τ₃, а после сокращения в левой части получают, что ( Ф_τ3/Ф₀)= τ₁τ₂τ₃. Сле­довательно, коэффициент пропускания нескольких светофильтров равен произведению коэффициентов пропускания отдельных светофильтров.

Коэффициенты пропускания авиационных светофильтров имеют следу­ющие значения: красных - от 0,12 до 0,15; зеленых - от 0,15 до 0,2; желтых - от 0,4 до 0,5; синих - от 0,01 до 0,03.

При распространении излучения в атмосфере оно ослабляется в основ­ном тремя процессами: молекулярным поглощением, молекулярным рас­сеянием и рассеянием на инородных частицах. Молекулы составных частей атмосферы поглощают излучение тех длин волн (частот), которые соответствуют резонансным частотам их собственных колебаний. Напри­мер, озон поглощает излучение с α<300 нм, а молекулы воды погло­щают длинноволновое излучение.

Молекулярное поглощение зависит от числа молекул в единице объема, а следовательно, и от толщины слоя атмосферы - длины пути прохож­дения излучения. Численно молекулярное поглощение в единице объема атмосферы для монохроматического излучения определяют по экспонен­циальному закону Бугера-Бера:

Ф’_τλ= Ф’_0λ ехр(-α_λМПl) (17.1)

где Ф’_τλ - поток, вышедший из объема атмосферы; Ф’_0λ - поток, вошедший в слой атмосферы; α_{λМП -} коэффициент ослабления потока при молеку­лярном поглощении; l - толщина слоя атмосферы.

Этот закон справедлив для монохроматического излучения, распростра­няющегося параллельно в оптически однородной среде.

Из равенства (17.1) получают коэффициент пропускания атмосферы при молекулярном поглощении:

τ_λМП=Ф’_τλ/ Ф’_0λ=ехр(-α_λМПl).

Молекулярное рассеяние - изменение пространственного распределения пучка лучей без изменения частот составляющих его монохроматических излучений. Рассеяние происходит на границе двух молекул или на границе групп молекул, имеющих различную плотность. Значение монохромати­ческого потока, прошедшего через слой сухой и чистой атмосферы, при молекулярном рассеянии определяют тоже по закону Бугера-Бера:

Ф”_τλ= Ф”_0λ ехр(-m_λМРl), (17.2)

где m_λМР - коэффициент ослабления потока при молекулярном рассеянии. Из выражения (17.2) находят коэффициент пропускания атмосферы при молекулярном рассеянии:

τ_λМР=Ф”_τλ/ Ф”_0λ=ехр(-m_λМРl).

Если размеры частиц, на границе которых происходит рассеяние, соизмеримы с длиной волны, все лучи рассеиваются в объеме атмосферы одинаково. В сухой и чистой атмосфере размеры частиц намного меньше длин волн составляющих видимого излучения. Рассеяние в такой атмосфере подчиняется закону Рэлея, при котором коэффициент молекулярного рас­сеяния:

m_λМР= А/λ⁴ (17.3)

где А - коэффициент, характеризующий параметры объема атмосферы.

Из уравнений (17.2) и (17.3) следует, что чем меньше длина волны излучения, тем больше рассеивается поток (уменьшается вышедший поток Ф”_τλ). Подтверждением этого служит голубой цвет неба. Коротковолновое излучение солнца рассеивается в атмосфере больше, чем длинноволновое излучение, и создает голубую дымку.

Если наблюдаются дымка, туман, облака, то в атмосфере присутствуют инородные частицы. Их размеры (1÷20)10³ нм. При прохождении через атмосферу с инородными частицами излучение ослабляется за счет рас­сеяния на этих частицах и отражения от них. Если размеры частиц более 1·10³ нм, интенсивность рассеяния не зависит от длины волны излучения. В этом случае для определения вышедшего из слоя атмосферы монохроматического излучения используют все тот же закон Бугера-Бера:

Ф”’_τλ= Ф”’_0λ ехр(-m_λДl), (17.4)

где Ф”’_τλ - поток, вышедший из слоя атмосферы; Ф”’_0λ - монохроматический поток, входящий в слой атмосферы; m_λД - коэффициент рассеяния в дымке, зависящий от концентрации частиц в единице объема атмосферы.

Из формулы (17.4) определяют коэффициент пропускания атмосферы при рассеянии потока на инородных частицах:

τ_λД=Ф’”_τλ/ Ф’”_0λ=ехр(-m_λДl).

Если представить, что монохроматический поток, проходящий через слой атмосферы, первоначально ослабляется за счет молекулярного погло­щения, затем за счет молекулярного рассеяния и рассеяния на инородных частицах, можно определить общий коэффициент пропускания атмосферы как произведение коэффициентов пропускания при ослаблении потока в различных взаимодействиях с атмосферой:

τ_λ= τ_λМП τ_λМР τ_λД . (17.5)

Перемножив коэффициенты пропускания в выражении (17.5), получим:

τ_λ=ехр(-m_λ l), где m_λ = α_λМП + m_λМР+ m_λД.

Для слоя атмосферы толщиной в 1 км общий коэффициент пропуска­ния

τ_1λ=ехр(-m_λ ·1)= Ф_τλ/Ф_0λ. Его называют коэффициентом прозрач­ности атмосферы (отношение монохроматического потока, прошедшего слой атмосферы толщиной в 1 км, к монохроматическому потоку, во­шедшему в этот слой). Он характеризует оптическое состояние атмосферы.

Оптическое состояние атмосферы оценивают также метеорологической дальностью видимости (МДВ) - наибольшей дальностью видимости днем темных предметов с угловыми размерами более 0,5°, проецирующихся на северной стороне неба у горизонта. Темный предмет теряет видимость, если контраст между предметом и фоном становится меньше среднего порогового контраста для глаза. Контраст же уменьшается из-за рассея­ния и поглощения видимого излучения в атмосфере. МДВ имеет десяти­балльную шкалу. Для примера в табл. 17.3 приведены несколько опти­ческих состояний атмосферы и оценки этих состояний.

Таблица 17.3

Оценка состояния атмосферы (примеры)

В общем случае, если световой поток проходит сквозь слой атмосферы толщиной L км, поток, вышедший из этого слоя,

,

где L - показатель степени (толщина слоя атмосферы), км.

17.3. Нормирование цветных сигналов

Цвет излучения сигнального огня нормирован. Нормы на цветные сигналы записывают координатами граничных точек на цветовом графике, который в прямоугольной системе координат х, у приведен на рис. 17.3. Поле реальных цветов на графике охвачено кривой ДМВ и прямой ДВ. На кривой ДМВ, называемой локусом, отмечены длины волн монохро­матических излучений видимого участка спектра в пределах от 400 нм (фиолетовый цвет) до 700 нм (красный цвет). На цветовом графике каждой точке поля реальных цветов соответ­ствует определенный цвет, который записывают двумя координатами. Например, цвет, соответствующий точке Е (белый, получаемый сме­шением всех спектральных), имеет координаты х=0.33, у=0.33. Цвет, соответствую­щий точке А, имеет коорди­наты х=0,45, у=0,43. Внут­ри треугольника ДЕВ распо­лагаются пурпурные цвета, которые могут быть получе­ны искусственно смешением фиолетового, красного и бе­лого излучений.

Во вспомогательной коло­риметрической системе Ф(λ,р) для характеристики цветности излучения используют понятия цветового тона λ и чистоты цвета р. Цветовым тоном λ называют длину волны монохроматического излуче­ния, которое в смеси с белым излучением дает определенную цветность. Чистота цвета показывает отношение монохроматического потока Ф_λ к потоку смеси (монохроматического с белым), создающей заданную цвет­ность на графике, т. е. р= Ф_λ /( Ф_λ + Ф_БЕЛ).

На рис. 17.3 нанесены линии равной чистоты цвета 1 и линии равного цветового тона 2 (линии, соединяющие точку Е с точками на локусе). Например, все цвета внутри цветового графика, лежащие на линии ЕК, имеют цветовой тон, равный 550 нм.

На цветовом графике цветовой тон изменяется в пределах от 400 до 700 нм. Чистота цвета изменяется от 0 до 1. В точке Е чистота цвета равна нулю, а на локусе 3 - единице. В промежуточных точках (на линиях равной чистоты) будет меньше единицы. Например, в точке А чистота цвета равна 0,7.

Таблица 17.4

Нормы цветности аэронавигационных огней

Таким образом, в системе Ф(λ,р) цвет, соответствующий опре­деленной точке, записывают с по­мощью цветового тока и чистоты цвета. Например, цвет, соответству­ющий точке К, имеет координаты λ = 550 нм, р = 1; цвет, соответ­ствующий точке N , имеет коорди­наты λ = 520 нм, р = 0,8.

В прямоугольной системе коор­динат х, у цвета сигналов нормируют значениями координаты четырех гра­ничных точек. В системе Ф(λ,р) - цветовым тоном и чистотой цвета.

Цвет сигнального огня не дол­жен отличаться от нормированного при изменении цветовой темпера­туры нити накаливания от 2575 °С до 1627 °С, при дальности наблю­дения до 30 км и коэффициенте прозрачности атмосферы τ₁=0,9. Области допустимых цве­тов для аэронавигационных сигнальных огней приведены на рис. 17.4. Координаты граничных точек, допустимая чистота цвета и цветовой тон - в табл. 17.4.

17.4. Осветительные приборы

В осветительном и светосигнальном оборудовании используют при­боры, которые подразделяют на светильники и прожекторы. В светильни­ках световой поток ламп перераспределяется внутри значительных телес­ных углов. Такие приборы применяют для освещения рабочих поверх­ностей на сравнительно небольших расстояниях. В прожекторах световой поток ламп максимально концентрируется по заданному направлению, поэтому их используют для освещения удаленных объектов или для световой сигнализации.

Осветительный прибор состоит из источника света и осветительной арматуры. Эта арматура служит для перераспределения и преобразования светового потока лампы, для ее крепления и подключения к схеме пита­ния, для защиты лампы от механических повреждений и воздействий окружающей среды. Часть осветительной арматуры, состоящая из опти­ческих элементов, участвующих в преобразовании и перераспределении светового потока (отражатели, рассеиватели, защитные стекла), называют оптической системой, которая бывает отражательной, линзовой (прелом­ляющей) и смешанной. В отражательных оптических системах чаще при­меняют стеклянные или металлические параболоидные отражатели. Параболоидный отражатель представляет собой тело, образованное вращением вокруг общей оси двух парабол, создающих лицевую (по отношению к источнику света) и тыльную поверхности. Отражательной поверхностью у металлических отражателей является лицевая поверхность, а у стеклян­ных - тыльная поверхность.

Если в фокусе 0 (рис. 17.5) стеклянного отражателя параболоидной формы поместить точечный источник света, то в любой меридиональной плоскости, проходящей через ось вращения отражателя, фокальные лучи отразятся параллельно оси симметрии OZ - оптической оси. Проекцию лицевой поверхности отражателя на плоскость, перпендикулярную опти­ческой оси, называют световым отверстием. У рассматриваемого отра­жателя световое отверстие имеет форму круга.

В реальных устройствах световой луч распространяется не параллельно, а имеет коническую форму, так как в фокусе отражателя помещают источник излучения конечных размеров.

Зеркальный отражатель имеет следующие характеристики:

диаметр светового отверстия D;

глубину отражателя Н;

угол охвата отражателя - телесный угол, в пределах которого из фо­куса 0 видна вся лицевая поверхность отражателя, при графическом изображении угол охвата показывают плоским углом 2φ_мах;

световой центр - фокус 0;

фокусное расстояние f - расстояние между вершиной отражателя М₀ и фокусом 0;

угол излучения - телесный угол в пределах которого распространяется световой поток (под полезным углом излучения понимают плоский угол, в пределах которого сохраняется одна десятая часть максимальной силы света осветительного прибора);

угол рассеяния - плоский угол 2ξ.

Осветительные приборы характеризуют коэффициентами:

полезного действия светильника - отношение полезного светового по­тока Ф_ПОЛ светильника к световому потоку Ф_Л лампы, т.е. η= Ф_ПОЛ/Ф_Л;

усиления светильника - отношение максимальной силы света I_МАХ при­бора к средней сферической силе света I_СС круглосимметричной лампы, т.е. К_У = I_МАХ/ I_СС где I_СС = Ф_π/4π. Коэффициент усиления светильника показывает концентрацию светового потока в световом луче.

Реальные отражатели имеют от­клонения от идеальной формы. Если на реальный отражатель направить пучок световых лучей, параллельных оптической оси, они после отражения не соберутся в точке его теорети­ческого фокуса, потому что каждый участок отражателя имеет свой фокус. Несовпадение фокусов отдельных участков отражателя называют сфери­ческой аберрацией. Отражатели име­ют еще и продольную аберрацию, которая возникает из-за конечных размеров светящего тела. В осве­тительных приборах трудно установить центр светящего тела в фокусе отражателя. Это несовпадение фокуса отражателя с центром светящего тела расфокусировка (может быть продольной и поперечной).

Осветительные приборы состоят из оптических, электротехнических и конструктивных элементов. К оптическим элементам, кроме отража­телей, относят линзы, рассеиватели, защитные стекла, фильтры, экрани­рующие решетки. Электротехнические элементы применяют для изготов­ления коммутирующих, стабилизирующих и подводящих электрический ток устройств. В линзовых преломляющих оптических системах для пре­образования и перераспределения светового потока ставят линзы, призма­тические устройства и линзовые рассеиватели.

Яркость свечения элементов отражательных зеркальных и линзовых преломляющих оптических систем равна яркости светящего тела. Отра­жатели и рассеиватели выполняют из материалов с диффузным отраже­нием или пропусканием. Яркость свечения поверхности диффузных уст­ройств на порядок ниже яркости светящего тепла. Коэффициент полезного действия осветительных приборов с зеркальными отражателями может доходить до 0.9, а с диффузными отражателями и рассеивателями - до 0,6-0,8.

17.5. Методы светотехнических расчетов

Светотехнические расчеты бывают прямые, когда определяют необхо­димые параметры осветительной установки (число, мощность и располо­жение светильников) по заданным светотехническим показателям (напри­мер, освещенность, яркость), и поверочные, когда при известных пара­метрах находят ожидаемое значение показателей. Имеется несколько ме­тодов расчета. Необходимый метод выбирают в зависимости от размеров и формы осветительного прибора (точечный, линейный, двухмерный), вида светораспределения светильника, расположения освещаемых поверхностей (горизонтальная, вертикальная, наклонная). Однако многообразие методов сводится к двум:

расчет методом силы света - определяют освещенность по известной силе света, т.е. находят зависимость Е=f(I);

расчет метод коэффициента использования - находят зависимость Е_СР=f(Ф).

Метод силы света в основном предназначен для определения осве­щенности в определенных точках, т. е. для обеспечения минимальной освещенности. Его применяют для расчета установок с повышенной неравномерностью освещения, а также для расчета освещения негоризон­тальных поверхностей, выполненных светильниками прямого света. Мето­дом коэффициента использования вычисляют среднюю освещенность. При расчете по этому методу не определяют точки, в которых имеется минимальная освещенность. Метод применяют для расчета общего равно­мерного освещения производственных помещений.

Рассмотрим подробно расчет по методу коэффициента использования (Метод силы света из-за многочисленных вычислений в отдельных точках поверхности в книге не рассмотрен). Коэффициентом использования светового потока осветительной установки называют отношение светового пото­ка, установившегося на расчетной плоскости Ф_Р, к суммарному свето­вому потоку источников света:

К_ОУ = Ф_Р/ nФ_Л,

где п - число источников света; Ф_Л - световой поток лампы.

Коэффициент К_ОУ определяет эф­фективность использования светового потока источников света. Его зна­чение зависит от многих факторов, основными из которых являются: светораспределение светильников, размещение светильников в помеще­нии, к.п.д. светильников, соотно­шение размеров помещения, отража­ющие свойства поверхностей.

На рис. 17.6 приведены графики зависимости коэффициента К_ОУ от соотношения а сторон квадратного помещения к высоте h_Р подвеса светильника над расчетной плоскостью для различных комбинаций коэффи­циентов отражения потолка ρ_П, стен ρ_С и расчетной плоскости ρ_Р. Как видно из графиков, с увеличением отношения a / h_Р растет и коэффициент К_ОУ, что определяется возрастанием доли светового потока, непосред­ственно падающего от светильников на расчетную плоскость с увеличе­нием отношения площади помещения к высоте подвеса светильников. С повышением значений коэффициентов отражения коэффициент К_ОУ также растет, так как уменьшаются потери светового потока при многократных отражениях.

Таблица 17.5

Некоторые значения коэффициентов использования

Некоторые значения коэффициента использования в функции индекса помещения приведены в табл. 17.5. Индексом помещения i называют отношение:

,

где А - длина помещения, м; В - ширина помещения, м; h - высота светильника над расчетной плоскостью, м.