Исследование видимости объектов наблюдения в осветительных установках со светодиодами

 

1.2 Принципы нормирования освещения по видимости объектов 

наблюдения

 

          Анализ  работ отечественных и зарубежных  исследователей показал, что оптимальные  условия освещения промышленных  предприятий определяется качественными и количественными показателями освещения как единым критерием комплексной оценки эффективности установок [1-6]. Оценка осветительных условий по уровням производительности труда, браку продукции и зрительному утомлению является комплексным методом, учитывающим в полной мере влияние внешних  условий среды  на  работающего [6-9].

          Впервые  вопрос о влиянии качественных  и количественных показателей освещения на видимость был поставлен Гершуном А.А. и Лазаревым Д.Н. в 1935 году, а применение этого критерия для нормирования было предложено профессором Мешковым В.В. в 1947 году. В качестве объектов наблюдения служили модели различных геометрических тел с матовой и направленно-отражающей поверхностями. Вариация видимости при изменении направления и структуры излучения объясняется изменением расположения света и теней на элементарных участках поверхности и соотношения яркостей между ними [8,с.5].

           Возможность зрительного обнаружения  одноцветного с фоном объекта наблюдения   и различения его   формы определяется   различием их яркости.

В простейшем случае, когда тест- объект равнояркий, степень его заметности на равноярком фоне можно определить яркостным контрастом (формула 1.1), численно равным отношению разности яркости объекта и фона к яркости фона:

                                                                                  (1.1)

 

          Зрительное  обнаружение объекта на одноцветном  фоне возможно лишь в том  случае, когда разность яркостей  объекта и фона больше либо  равна пороговой разности яркости:

 

                                   

,                                                (1.2)

 

           где  - минимальная разность в яркостях объекта и фона, впервые воспринимаемое глазом, которую принято называть разностью яркостей.

          Пороговой  яркостью (световым порогом) называется  минимальная яркость объекта,  которая позволяет обнаружить  его на фоне с яркостью практически равной 0.

          Контраст  объекта с фоном, обеспечивающий заданную вероятность обнаружения объекта, определяемый его параметрами (угловой размер α  и форма), количественной характеристикой освещения (яркость фона ) и условиями зрительной работы (время наблюдения), принято называть пороговым контрастом и определять по формуле: 

 

                                 

,                                 (1.3)

 

        где угловой размер, мин.;

   пороговая разность яркостей, ;

   яркость фона, ;

   время наблюдения, сек;

        вероятность зрительного обнаружения или опознания формы объекта.

          Пороговые   характеристики  объекта  наблюдения ( ) и условия зри-

тельной работы ( ) взаимосвязаны.

          Принятая  в практике отечественной осветительной  техники оценка основных качественных показателей освещения характеризуется изменением порогового контраста с фоном. Кривые зависимости порогового контраста обнаружения тест- объекта в виде диска на фоне равномерной яркости с вероятностью p=0,5 от яркости фона для различных угловых   размеров диска приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2- Зависимость порогового контраста от яркости фона для дисков

различных угловых размеров

По результатам исследования Р.Блэкуэлла  зависимость между пороговым яркостным контрастом и вероятностью обнаружения объекта наблюдения простейшей формы можно выразить следующим равенством 

 

                                     ,                                        (1.4)

           где - пороговый контраст при вероятности обнаружения объекта;

          - пороговый контраст при вероятности обнаружения объекта p=0,5;

           - функция обнаружения вероятности.

          Анализ  кривых (рисунок 1.1) позволяет сделать следующие выводы, необходимые для нормирования осветительных установок:

         - обнаружения тест - объекта зависит от углового размера α объекта, яркости фона и вероятности обнаружения. уменьшается с ростом углового размера и яркости фона;

         - каждому угловому размеру тест - объекта соответствует некоторая минимальная величина порогового контраста - существующее минимальное значение порогового контраста при меньшем значении которого объект нельзя увидеть при каком угодно большом увеличении яркости фона;

          - яркость фона начиная с которой остаётся практически постоянным, принято называть оптимальной яркостью для данного углового размера объекта, обеспечивающей наибольшую видимость тест - объекта с заданным α;

          - нормируемое значение яркости (освещённости) должно быть тем больше, чем меньше угловой размер объекта и его контраст с фоном.

          Профессором  В.В. Мешковым были введены формулы (1.5 и 1.6) для определения порогового контраста p=0,5.

Эти формулы используются для достаточно точной аппроксимации экспериментальных зависимостей, представленных на рисунке 1.1

 

                                          

                                  

,                                                  (1.5)

                               

                                    ,                                                  (1.6)

 

где параметр, определяющий угол наклона отрезка прямой: ;   

     параметр, равный ординате прямой для ;

     - яркость фона;

     - пороговый контраст;

     - пороговая разность яркостей.

         Чем больше  значение контраста объекта наблюдения  с фоном по сравнению с его пороговым значением, тем заметнее (виднее) объект наблюдения на фоне, тем с большей вероятностью решается  зрительная задача, тем с меньшим напряжением выполняется зрительная работа [9,с.99].

          На практике пользуясь этими свойствами зрительного процесса, принято определять видимость (V) отношением контраста объекта наблюдения с фоном к пороговому значению контраста

 

                                         

,                                                         (1.7)

          где  - видимость;

    -контраст объекта с фоном;

- пороговый контраст.

       

 Физический смысл видимости:  видимость показывает, сколько в  контрасте объекта с фоном содержится пороговых контрастов.

          Согласно исследованию Блэкуэлла практические значения пороговых контрастов существенно отличаются от пороговых значений, измеренных в лабораторных условиях.

         Это различие, которое всегда имеет место  в сторону увеличения практического порогового контраста по сравнению с лабораторным, определяется по Блэкуэллу рядом причин, к которым в первую очередь следует отнести:

         - увеличение трудности зрительной  задачи при незнании того, где  и когда в поле зрения появится объект наблюдения;

    - одновременное наличие  в поле зрения нескольких объектов и т.д.

         - ограничение  времени опознавания наиболее  чётко выявленное при работе на конвейере.

         Для учёта различия практического  и лабораторного значений порогового контраста Блэкуэлл рекомендует принять при нормировании некоторый коэффициент запаса 1,8 2, учитывающий лишь первую причину увеличения

 

 порогового контраста как общую в производственных условиях.

          Для максимального приближения значения видимости к количественному выражению зрительного процесса следует выбирать масштаб количественного выражения видимости логарифмическим. При этом видимость объекта наблюдения одноцветного с фоном при этом следует оценивать логарифмом отношения десятикратного значения (десятикратное значение принято для приведения пороговой минимальной видимости к единичному значению) фактического яркостного контраста объекта с фоном к его практическому пороговому значению , формула 1.8:

 

                                              ,                                                          (1.8)

         

         где - видимость;

    - контраст объекта с фоном;

    - пороговый контраст;

          - коэффициент запаса, определяющий ряд причин, которые выделил Блэкуэлл (1,8 2) [10,с.138].

     При сопоставлении  условий освещения, а также  при выборе уровня 

яркости или освещения рабочей  поверхности принято пользоваться методом оценки видимости, учитывая в коэффициенте запаса е повышение трудности зрительной задачи, зависящей не столько от неопределённости места появления объектов, но не в меньшей степени и от формы объектов различения.

          На основании исследований Блэкуэлла, Кеннера, Геноунга, Вейгеля, Кнолля и других были установлены значения минимального порогового контраста для равнояркого фона. при р=0,5. Каждому угловому размеру тест- объекта соответствует некоторое минимальное значение порогового контраста , меньше которого тест- объект не может быть обнаружен при любом как угодно большем значении его углового размера [11,с.221].

          Максимальное  значение видимости объекта наблюдения  с заданным угловым размером имеет место при

 

                                            

                                                      (1.9)

          Значения видимости для заданных  условий освещения в формулах (1.8) и (1.9) записаны для вероятности обнаружения объекта p=0,5.

          Согласно (1.3) с повышением вероятности  видимости заданного (α и κ)  объекта наблюдения уменьшается  в  раз. Следовательно, в общем случае для заданного значения вероятности обнаружения тест- объекта наблюдения видимость определяется по формуле 1.10

 

                                  

,                                         (1.10)

 

           где функция обнаружения вероятности.

Предельно максимальное значение видимости при этом будет рассчитываться по формуле 1.11:

 

                               

                                        (1.11)

 

          Для  сопоставления заданных условий  освещения с оптимальными, обеспечивающими предельно минимальное значение порогового яркостного контраста тест- объекта с заданным угловым размером, вводят понятие относительной видимости , рассчитываемой по формуле 1.12:

 

                 

.                        (1.12)

 

          Уравнения,  определяющие видимость (1.8) и  (1.12), написаны для зрительной  задачи, выполняемой без ограничения времени наблюдения и с заданным значением вероятности обнаружения тест- объекта .

          В этих  условиях при постоянстве яркости  рабочей поверхности L=const видимость, а следовательно и относительная видимость однозначно определяются фактическим и эквивалентным контрастом яркости объекта и его угловым размером. С ростом и в условиях заданной яркости увеличивается видимость [2,с.28].

          Из проведенных  исследований можно сделать следующие выводы:

          - при  точных зрительных работах (малый  размер объекта, малый контраст) наблюдается заметное расхождение в характере изменения зрительной работоспособности в зависимости от освещенности для кратковременной или длительной работ;

          - сравнение зависимостей зрительной  работоспособности от освещен-ности при кратковременной и длительной работах подтверждает предположение о неправомочности использования разультатов кратковременных опытов для определения освещенности, оптимальной с точки зрения производительности труда;

          - необходимо  дальнейшее изучение взаимосвязи  производительности и освещенности рабочей поверхности на разных моделях зрительной работы с уделением особого внимания точным зрительным работам [17,с.77].