QUANG HỌC KIẾN TRÚC NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG VỀ KỸ THUẬT CƠ SỞ CỦA NGHỆ THUẬT CHIẾU SÁNG

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNGI. Sóng điện từ, sự tạo thành sóng điện từII. Những tính chất chung của sóng điện từIII. Sóng điện từ phẳng đơn sắcIV. Phận loại sóng điện từV. Ánh sáng bức xạ điện từ khả kiếnVI. Định luật cơ bản của quang hình họcCHƯƠNG 2: ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNGI.Đặc điểm của phép đo ánh sáng1. Trắc quang chủ quan2. Trắc quang khắc quanII. Thông lượng bức xạ, cường độ quang phổIII. Hàm số thị kiến, quang thông IV. Cường độ sáng1. Góc khối (góc không gian, góc đặc)2. Radiant (rad)3. Steradiant (Sr)4. Biểu thức của góc khối nhìn từ điểm 0 tới mặt ds5. Cường độ sángV. Độ rọiVI. Độ trưngVII. Độ chóiVIII. Quan hệ giữa độ chói và độ trưng của mặt phát sángIX. Quan hệ giữa độ chói của mặt phát sáng với độ rọi của mặt được rọi sángCHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT PHÁT SÁNG CỦA VẬT LIỆUI. Đặc điểm chung1. Tính chất phản xạ2. Tính chất xuyên quaII. Đặc trưng chiếu sáng kiến trúcCHƯƠNG 4: ĐỘ NHÌN VÀ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNGI. Cấu tạo và sự thu nhận ánh sáng của mắtII. Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn1. Thị giác ban ngày2. Thị giác hoàng hôn3. Quá trình thích nghi4. Cực cận, cực viễn5. Độ chói chủ quan

VẬT LÝ KIẾN TRÚC 2PHẦN: QUANG HỌC KIẾN TRÚC

PHẦN I: NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG VỀ KỸ THUẬT CƠ

SỞ CỦA NGHỆ THUẬT CHIẾU SÁNG

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG

I Sóng điện từ, sự tạo thành sóng điện từ

II Những tính chất chung của sóng điện từ

III Sóng điện từ phẳng đơn sắc

IV Phận loại sóng điện từ

V Ánh sáng - bức xạ điện từ khả kiến

VI Định luật cơ bản của quang hình học

CHƯƠNG 2: ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁNH SÁNG

I.Đặc điểm của phép đo ánh sáng

1 Trắc quang chủ quan

2 Trắc quang khắc quan

II Thông lượng bức xạ, cường độ quang phổ

III Hàm số thị kiến, quang thông

VIII Quan hệ giữa độ chói và độ trưng của mặt phát sáng

IX Quan hệ giữa độ chói của mặt phát sáng với độ rọi của mặt được rọi sáng

CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT PHÁT SÁNG CỦA VẬT LIỆU

I Đặc điểm chung

1 Tính chất phản xạ

2 Tính chất xuyên qua

II Đặc trưng chiếu sáng kiến trúc

CHƯƠNG 4: ĐỘ NHÌN VÀ NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG

I Cấu tạo và sự thu nhận ánh sáng của mắt

II Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn

1 Thị giác ban ngày

2 Thị giác hoàng hôn

3 Quá trình thích nghi

4 Cực cận, cực viễn

5 Độ chói chủ quan

III Ánh sáng màu, tính ba biến của thị giác và hệ quả

1 Tính ba màu của ánh sáng trong cảm nhận thị giác

2 Biểu đồ màu xy

3 Phương pháp sử dụng biểu đồ màu xy

4 Hòa màu

5 Biểu đồ màu u'v'

IV Những nhân tố ảnh hưởng tối độ nhìn

1 Góc nhìn và năng suất phân ly

2 Tỉ lệ độ chói giữa vật quan sát và bối cảnh

3 Độ chói của vật quan sát

4 Khoảng cách giữa vật và mắt

5 Thời gian quan sát

6 Hiện tượng lóa mắt do độ chói trong trường sáng

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ BẢN CHẤT

CỦA ÁNH SÁNG

I SÓNG ĐIỆN TỪ, SỰ TẠO THÀNH SÓNG ĐIỆN TỪ

1 Thí nghiệm của Hertz

2 Luận điểm của Maxwell

1 Các giả thuyết của Măcxoen

• Giả thuyết 1:

- Mọi từ trường biến thiên theo thời gian đều sinh ra một điện trường xoáy

- Điện trường xoáy là điện trường mà các đường sức bao quanh các đường

cảm ứng từ

• Giả thuyết 2:

- Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều sinh ra một từ trường xoáy

- Từ trường xoáy là từ trường mà các đường cảm ứng từ bao quanh các đướng sức của điện trường.

• Dòng điện dẫn và dòng điện dịch Sự biến thiên của điện trường cũng sinh ra một từ trường như dòng điện nên điện trường biến thiên cũng có thể xem như là dòng điện Nó được gọi là dòng điện dịch, dòng điện trong dây dẫn gọi là dòng điện dẫn

2 Điện từ trường

- Phát minh của Măcxoen dẫn đến kết luận không thể có điện trường hoặc từ trường tồn tại riêng biệt, đôc lập với nhau Điện trường biến thiên nào cũng sinh ra từ trường biến thiên và ngược lại từ trường biến thiên nào cũng sinh ra điện trường biến thiên

- Điện trường và từ trường là hai mặt thể hiện khác nhau của một loại trường duy nhất gọi là điện từ trường

3 Sự lan truyền tương tác điện từ

- Giả sử tại 1 điểm O trong không gian có một điện trường biến thiên E1 không tắt dần Nó sinh ra ở các điểm lân cận một từ trường xoáy B1; từ trường biến thiên B1 lại gây ra ở các điểm lân cận nó một điện trường biến thiên E2 và cứ thế lan rộng dần ra Điện từ trường lan truyền trong không gian ngày càng xa điểm O

Vậy : Tương tác điện từ thực hiện thông qua điện từ trường phải tốn một khoảng thời gian để

truyền được từ điểm nọ đến điểm kia

II NHỮNG TÍNH CHẤT CHUNG CỦA SÓNG ĐIỆN TỪ

1 Sóng điện từ

a Sự hình thành sóng điện từ khi một điện tích điểm dao độngđiều hòa:

- Khi tại một điểm O có một điện tích điểm dao động điều hòa với tần số f theo phương thẳngđứng Nó tạo ra tại O một điện trường biến thiên điều hòa với tần số f Điện trường này phát sinh một từ trường biến thiên điều hòa với tần số f

- Vậy tại O hình thành một điện từ trường biến thiên điều hòa Điện từ trường này lan truyền trong không gian dưới dạng sóng Sóng đó gọi là sóng điện từ

- Sóng điện từ có tính chất giống sóng cơ học : chúng phản xạ được trên các mặt kim loại , cóthể khúc xạ và chúng giao thoa được với nhau

- Năng lượng của sóng điện từ tỷ lệ với luỹ thừa bậc 4 của tần số

3 Sóng điện từ trong thông tin vô tuyến

a Khái niệm sóng vô tuyến

Sóng điện từ có bước sóng từ vài m đến vài km được dùng trong thông tin liên lạc vô tuyến

gọi là sóng vô tuyến

b Công thức tính bước sóng vô tuyến

Trong chân không: với c = 3.108m/s

Trong môi trường vật chất có chiết suất n thì

Vớí v là tốc độ ánh sáng truyền trong môi trường có chiết suất n

III SÓNG ĐIỆN TỪ PHẲNG VÀ ĐƠN SẮC

IV PHÂN LOẠI SÓNG ĐIỆN TỪ

ω: vận tốc góc

V ÁNH SÁNG - BỨC XẠ ĐIỆN TỪ KHẢ KIẾN

Ánh sáng trắng

Ánh sáng trắng ban ngày mà mắt chúng ta nhìn thấy được là tập hợp liên tục những bức xạ điện từ đơn sắc từ màu tím đến màu đỏ

VI ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA QUANG HÌNH HỌC

Nhiều ánh sáng đơn sắc hợp thành một ánh sáng phức tạp Tính chất của một ánh sáng phức tạp quyết định bởi tỷ lệ cường độ quang phổ của các ánh sáng đơn sắc thành phần chứa trong tập hợp

đó

Thí nghiệm phân tích ánh sáng

trắng bằng lăng kính của Newton.

Chương 2: ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO

ÁNH SÁNG

I ĐẶC ĐIỂM CỦA PHÉP ĐO ÁNH SÁNG

Bức xạ điện từ mà mắt người nhận biết được là bức xạ điện từ khả kiến, nó là 1 dải rấthẹp trong toàn phổ bức xạ điện từ Như vậy ánh sang lien hệ với sự thu nhận ánh sang của mắt người, cho nên các đại lượng quang thiết lập thành 1 nhóm riêng biệt, gồm

Mắt trung bình gọi là mắt chuẩn được hội nghị trắc quang thế giới tiêu chuẩn hóa, ủy ban thắp sang thế giới C.I.E công bố 1924

1 Công dụng của lux kế

Lux kế dùng để đo cường độ ánh sáng

Phần lớn lux kế đều bao gồm một phần thân, một thiết bị cảm ứng với một tế bào quang điện, và một màn hình hiển thị Thiết bị cảm ứng được đặt tại nguồn sáng Ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện có năng lượng, được truyền từ tế bào quang điện sang dòng điện Tế bào quang điện hấp thụ được càng nhiều ánh sáng, dòng điện tạo ra càng cao Đồng hồ đo sẽ đọc dòng điện và tính toán giá trị thích hợp của Lux hoặc Foot candles (độ sáng) Giá trị đo được hiển thị trên màn hình

Cần lưu ý một yếu tố quan trọng về ánh sáng là ánh sáng thường do các dạng (màu sắc) ánh sang tại chiều dài bước sóng khác nhau Vì vậy, thông số đo được là kết quả của các hiệu ứng kết hợp của tất cả các chiều dài bước sóng Màu chuẩn được tính là nhiệt độ màu và nhiệt độ màu được tính bằng độ Kelvin Nhiệt độ màu chuẩn để hiệu chỉnh hầu hết các đồng

hồ ánh sáng là 2856 độ Kelvin (tương đương 10 độ C), ngả về vàng hơn là màu trắng Các loại đèn sáng cháy ở nhiệt độ màu khác nhau Vì vậy, các thông số đo của Lux kế sẽ thay đổi

với các nguồn sáng khác nhau có cùng một cường độ Đó là lý do tại sao một số ánh sáng lại

"gắt hơn" hoặc “dịu hơn”

2 Phạm vi sử dụng lux kế

Lux kế dùng để đo các mức độ rọi ở văn phòng, nhà máy, vv…

3 Cách thức sử dụng lux kế

Sử dụng công cụ này rất đơn giản Thiết bị cảm được đặt tại nơi làm việc hoặc nơi có thể

đo được cường độ ánh sáng, và lux kế sẽ đưa ra kết quả trực tiếp trên màn hình hiển thị

Lux kế (Reliability Direct, Inc)

4 Các biện pháp an toàn và phòng tránh

Khi sử dụng lux kế cần thực hiện các biện pháp phòng chống và an toàn sau:

_ Thiết bị cảm ứng phải đặt chính xác tại khu vực làm việc để có thể cho kết quả chính xác_ Do độ nhạy của thiết bị cảm ứng cao nên cần được cất giữ cẩn thận

_ Kiểm tra tài liệu hướng dẫn sử dụng để biết thêm hướng dẫn chi tiết về các biện pháp an toàn và phòng tránh trước khi sử dụng thiết bị

Định nghĩa độ rọi lux

1 lux là độ rọi có được tr ên một bề mặt có diện tích 1 mét vuông có thông lượng chiếu sáng

1 lumen

Giải thích

Nó tương đương với 1 lumen trên m².

• Ánh sáng Mặt Trời trung bình trong ngày có độ rọi dao động trong

khoảng 32.000 (32 klx) tới 100.000 lux (100 klx)

• Các trường quay truyền hình được chiếu sáng với độ rọi khoảng 1.000 lux (1 klx)

• Một văn phòng sáng sủa có độ rọi khoảng 400 lux

• Vào thời điểm hoàng hôn và bình minh, ánh sáng ngoài trời cũng có độ rọi khoảng 400 lux (nếu trời trong xanh).

• Ánh sáng phản chiếu từ Mặt Trăng có độ rọi khoảng 1 lux

• Ánh sáng từ các ngôi sao có độ rọi khoảng 0,00005 lux (= 50 μlx)

Lux và lumen

Khác biệt giữa lux và lumen là lux tính theo diện tích mà thông lượng chiếu sáng bao phủ Ví dụ 1.000 lumen, tập trung trong một diện tích 1 m², sẽ chiếu sáng diện tích này với độ rọi 1.000 lux Cùng 1.000 lumen này, khi trải rộng trên diện tích 10 m², sẽ tạo ra sự chiếu rọi mờ hơn, chỉ bằng 100 lux.

Việc đạt được độ rọi 500 lux là có thể trong nhà bếp với một ngọn đèn huỳnh quang đặt cố định có công suất 12.000 lumen Để chiếu sáng sàn xí nghiệp với diện tích gấp hàng chục/trăm lần nhà bếp thì người ta cần phải có hàng

chục/trăm đèn như vậy Vì thế, việc chiếu sáng một diện tích lớn hơn mà có cùng một giá trị độ rọi thì cần phải có nhiều lumen hơn.

Đơn vị Lux (ký hiệu: lx) là đơn vị đo độ rọi trong SI.

Nó được sử dụng trong trắc quang học để đánh giá cường độ ánh sáng cảm nhận được

*Đây là một đơn vị dẫn xuất trong SI, nghĩa là nó được định nghĩa từ các đơn vị

"cơ bản" hơn Cụ thể, do độ rọi bằng quang thông (Quang thông là đại lượng trắc

quang cho biết công suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn phát sáng điểm Đơn vị của quang thông trong các hệ đơn vị SI, CGS là lumen, kí hiệu lm.) trên diện tích:

1 lx = 1 lm/m2

*Đơn vị đo quang thông trong SI, lumen(lm), lại là một đơn vị dẫn xuất nên:

1 lx = 1 cd sr / m2

[ Giải thích thêm về cd và sr:

-Steradian (ký hiệu: sr) là đơn vị SI của góc khối Nó được dùng để mô tả độ lớn tương đối

giữa vật thể và một điểm quan sát cho trước trong không gian ba chiều Khái niệm tương tự steradian trong mặt phẳng hai chiều là radian

Minh họa cho 1 đơn vị góc khối.

1 steradian được định nghĩa là góc khối của một mặt chiếu có diện tích r2 trên hình cầu bán kính r đối với tâm của hình cầu đó

1 steradian tương ứng với mặt nón xoay góc 2θ ≈ 1,144 rad hoặc 65,54° Góc khối của toàn

bộ mặt cầu như vậy sẽ có độ lớn 4π steradian

-Candela hay còn được gọi là nến (Candle), theo định nghĩa của hệ đo lường quốc tê (SI)

candela là đơn vị đo cường độ chiếu sang¸ Ký hiệu đơn vị: cd

giả sử có ds= R2 (Sr)

diện tích mặt cầu S, góc không gian quanh tâm O, là: ω=S/R 2 =

2 2

4 R R

π

=4 π ( Sr)

điều này có nghĩa là góc không gian quanh một điểm bằng 4 πn ( Sr)

4 Biểu thức của góc khối nhìn từ điểm O đến mặt dS

Dựng mặt cầu tâm O, bk OM= r ( OM là đoạn thẳng trung bình từ O đến dS ) ( hình 2_6)Dựng dS', bán kính r và các đường sinh tựa trên chu vi

của dS'==>pháp tuyến của dS' trùng với phương r

nguồn điểm là nguồn sáng có kích thước khá bé so

với khoảng cách rọi sáng của chúng

==>Cường độ sáng I là đại lượng đặc trưng khả năng phát sáng của nguồn điểm trên tưng phương

==> quang thông toàn phần của nguồn điểm:

tích phân vòng, lấy theo mọi phương phát sáng từ 0 đến 2π

Nếu nguồn sáng là đẳng hướng==> quang thông cầu: I=4

128 cd + đèn dây tóc 500W: I ≅

700 cd+ đèn dây tóc 1500W: I ≅

2500 cd

Từ đó suy ra được các đơn vị dẫn suất khác:

Quang thông: dF=dI.d ω= candela Stradian= lumen ( lm)

1W = 683 lumen 1lumen = 0,00146 w

Về quang thông:

+ quang thông toàn phần do nguồn bức xạ ra xung quanh+ quang thông do nguồn rọi tới một diện tích nào đótrên phương nào đó

+quang thông cầu của nguồn đẳng hướng: F=4 π.I=12,571

(lm)

+quang thông của một vài nguồn sáng:

đèn tóc nung 60W ≅

850 lmđèn tóc nung 100W≅

1600 lmNến parafin trung bình ≅

Nếu mặt rọi nghiêng với phương tới của chùm sáng một góc

quang thong tu ngoai roi toi

dien tich mat bi roi

=2

lumen m

người ta gọi đơn vị này là Lux

VD: nắng giữa trưa ≅

100000 luxtrời nhiều mây ≅

+giải thích?: vì ngunồ khối hay nguồn mặt phát sáng yếu nhưng kích thước của nguồn lớn thì

F toàn phần của nó có thể lớn hơn F toàn phần của nguồn khối hay nguồn mặt phát sáng mạnh nhưng kích thước nhỏ

Độ trưng R : dR= dF/ dS ứng với góc khối w =2pi, Sr

Nếu quang thông F bức xạ đều từ mặt S thì:

R= F/ S

Đơn vị: lumen/ m2 = lm/m2

Độ trưng R của 1 nguồn tự nó bức xạ ánh sáng , không lien hệ với độ rọi E thì :

R= k.E độ trưng của nguồn bức xạ ánh sáng nhờ phản xạ ( bức xạ phản xạ) ánh sáng

từ bên ngoài tới

Với k: hệ số phản xạ ( p) hay xuyên qua ( t)

Nếu nguồn phản xạ ánh sáng từ ngoài rọi tới, hệ số k là p thì

R= p.E

Nếu quang thông tới phân tới đều trên S thì

R= p.F/s =p.E hay p.F=p.E.s=S.R

Nếu nguồn khối hay nguồn mặt trong suốt, hệ số k là t thì

R= t.E

vì rằng: dI0= dF0/dw cho nên dB0= dF0/dw.dS.cos0

kết luận: độ chói B là đại lượng vừa biểu thị mật độ góc quang thông theo phương cường độ sáng T lại vừa biểu thị mật độ bề mặt của quang thông do mặt dS bức xạ ra

Độ chói B là đại lượng đặc trưng do mắt người trực tiếp cảm thụ

Nếu mặt sáng bức xạ ánh sáng đều trong góc khối w thì

B=f/ w.S.cos0 hay B= I/ S.cosO

Khi O = 0 , cos O =1 thì Bmax = I/S

B phụ thuộc vào góc 0 ( do nguồn khối hay nguồn mặt đổi theo phương)

Nếu B không phụ thuộc theo phương ( B= const) thì nguồn sáng đó gọi là Lămber ( chỉ có vậtđen tuyệt đối và nhửng vật khuyếch tán ánh sáng đều theo mọi hướng mới là nguồn Lămber )Đơn vị: cd/ m2 gọi là Nit hay Nt

Chú ý: những mặt trang trí kiến trúc như mặt gạch không trát , mặt đá thiên nhiên không trát,

độ chói phân bố trên bề mặt có thể coi như đẳng hướng

B0=I0/S.cos0 gần bằng Imax/ S = const=

VII QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHÓI B VÀ ĐỘ TRƯNG R CỦA MẶT PHÁT SÁNG:

Như vậy, quang thông dF do nguyên tố diện tích dS bức xạ trong giới nội góc khối ω

, bằng tích biềuthức (1) lấy theo ω

E : độ rọi

Phương r hợp với pháp tuyến N góc 0

Phương r hợp với pháp tuyến N′

; 0

-Chưachobiếtsựphânbố, ánhsángphảnxạ, xuyên qua từvậtliệu.

-Có ý nghĩa khi thiếtkế, xửlýnghệthuậtchiếusángkiếntrúc

b Phảnxạkhuếchtánđịnhhướng.

+Đặcđiểm: góckhốicủachùmtiaphảnxạlớnhơngóckhốicủa chum tiatới

+Chùmtiaphảnxạkhuếchtánbaophủxungquanh chum tiaphảnxạmặtgương

c Phảnxạkhuếchtánhỗnhợp.

Vậtliệutráng men cótínhchấtnày

2 Tínhchấtxuyên qua

Đốivớivậtliệutrongsuốt, ánhsángxuyên qua có 3 trườnghợp:

-Xuyên qua định hướng

-Xuyên qua khuếch tán

-Xuyên qua hỗn hợp

2.1 Xuyên qua định hướng

a.Vật liệu trong suốt có 2 bề mặt song song

+Phương trùng với phương của Fđ

+ i1 = i2

+Góckhối

Thủy tinh có tính chất này

b.Vậtliệucó 2 bềmặtkhông song song.

+PhươngcủakhôngtrùngvớiphươngcủaFđ

+Ánhsángxuyên qua bịphângiải, bước song càngngắn, tia sang xuyê qua

càngrờixapháptuyến

2.2 Xuyên qua khuếchtán

a Xuyên qua khuếchtánhoàntoàn

p hânbố đều

Khuếchtánhoàntoàngầnđúng( thủytinhmàusữa – thường dung làmchaođèn)

b Xuyên qua khuếchtánđịnhhướng.

Thủytinh long trắngtrứngcótínhchấtnày.

2.3 Xuyên qua khuếchtánhỗnhợp

II ĐẶC TRƯNG CHIẾU SÁNG KIẾN TRÚC

- Cácbềmặtcủakếtcấubaochevàphâncáchtrongkiếntrúcđềucótínhchấtphảnxạvàxuyên qua ánhsángchọnlọc

Màu sắc trên bề mặt quan sát phụ thuộc:

● quang phổ của quang thông tới và quang thông phản xạ hay xuyên qua

● cấu trúc tỉ lệ của các ánh sáng đơn sắc hớp thành trong ánh sáng phản xạ hay xuyên qua

Đặc trưng cho tính phản xạ hay xuyên qua của vật liệu:

-Hệ số phản xạ quang phổ =

-Hệsốxuyên qua quangphổτλ=

: quangthôngđơnsắc, bướcsóng tớibềmặtvậtliệu

, : quangthôngđơnsắc, bướcsóng phảnxạhayxuyên quatớibềmặtvậtliệu

Đốivớivậtliệuxâydựng, khi ánhsángrọitới :

Chương 4: TÍNH CHẤT PHÁT SÁNG

CỦA VẬT LIỆU

I/ CẤU TẠO VÀ SỰ THU NHẬN ÁNH SÁNG CỦA MẮT

Quá trình nhìn của mắt.

Khi quan sát,lỗ con ngươi tự điều chỉnh lớn nhỏ để quang

thông đi vào mắt thích hợp.Thủy tinh thể thay đổi độ cong

tức thay đổi độ hội tụ của ánh sáng để ảnh của vật rơi

vào đúng trên võng mạc