kỹ thuật chiếu sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths.GVC Hoàng Xuân Dinh Phan Nguyễn Thùy An Mã số SV: 1110231 Lớp: Sư phạm Vật Lý – Tin Học Khóa: 37 Cần Thơ, Năm 2014 LỜI CẢM ƠN  Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn Hoàng Xuân Dinh người tận tình hướng dẫn em suốt trình làm luận văn Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo giảng dạy em suốt bốn năm qua, đặc biệt quý thầy cô môn sư phạm Vật Lý tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất đề tài Những kiến thức mà em nhận giảng đường đại học hành trang giúp em vững bước tương lai Những lời động viên, khích lệ từ gia đình; chia sẻ từ bạn bè góp phần nhiều cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin cảm ơn quan tâm người Tuy có nhiều cố gắng khó tránh khỏi thiếu sót, em mong góp ý thêm quý thầy cô bạn để luận văn hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Phan Nguyễn Thùy An MỤC LỤC Phần MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Giới hạn đề tài Phương pháp phương tiện thực hiên đề tài Các bước thực Phần NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược giả thuyết chất ánh sáng 1.2.Một số tượng quang học 1.2.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng 1.2.2 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng 1.2.3 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 1.2.4 Hiện tượng tán xạ ánh sáng 1.3 Các đơn vị quang học 1.3.1 Quang thông 1.3.2 Góc khối 10 1.3.3 Cường độ sáng 11 1.3.4 Độ chói 11 1.3.5 Độ trưng 12 1.3.6 Độ rọi 13 Chương 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG 15 2.1 Mắt người thụ cảm ánh sáng 15 2.1.1 Cấu tạo mắt người 15 2.1.2 Sự điều tiết mắt 15 2.1.3 Năng suất phân li mắt 16 2.1.4 Thị giác ban ngày, thị giác hoàng hôn 16 2.1.5 Độ nhạy cảm theo phổ ánh sáng 18 2.1.6 Sự nhìn màu 19 2.1.7 Đặc điểm tâm sinh lý nhìn màu 19 2.1.8 Trường nhìn 20 2.2 Tiện nghi nhìn 21 2.2.1 Một số đặc điểm thị giác 21 2.2.2 Sự chói lóa 21 2.2.3 Độ rọi yêu cầu 22 2.2.4 Nhiệt độ màu, số hoàn màu tiện nghi môi trường sáng 23 2.3 Các tính chất quang học vật liệu 24 2.3.1 Đặc điểm chung 24 2.3.2 Tính chất phản xạ 25 2.3.3 Tính chất xuyên qua 26 Chương 3: CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN 29 3.1 Nguồn sáng 29 3.1.1 Ánh sáng trực xạ 29 3.1.2 Ánh sáng tán xạ 29 3.2 Cơ sở thiết kế chiếu sáng tự nhiên 31 3.2.1 Đánh giá chiếu sáng 31 3.2.2 Hai định luật chiếu sáng tự nhiên 32 3.2.3 Yêu cầu thiết kế chiếu sáng tự nhiên 33 i 3.3 Tính toán chiếu sáng 35 3.3.1 Ba thành phần độ rọi tự nhiên 35 3.3.2 Cách xác định ba thành phần hệ số độ rọi tự nhiên 36 3.3.3 Đặc tính chiếu sáng loại cửa 41 3.3.4 Phương pháp xác định gần kích thước cửa lấy ánh sáng theo độ rọi E phòng 41 Chương 4: CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO 44 4.1 Thiết bị chiếu sáng 44 4.1.1 Nguồn sáng 44 4.1.2 Chụp đèn 46 4.2 Loại chiếu sáng hệ thống chiếu sáng 46 4.1.1 Chiếu sáng làm việc 46 4.1.2 Chiếu sáng cố 47 4.3 Kiểu chiếu sáng 47 4.4 Tính toán chiếu sáng 49 4.4.1 Chọn loại bóng đèn 49 4.4.2 Lựa chọn vị trí đặt đèn 50 4.4.3 Xác định công suất đèn nung sáng đèn huỳnh quang 53 Phần KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh Phần MỞ ĐẦU  LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Quang học lĩnh vực thú vị chuyên ngành Vật Lý nói chung nghiên cứu khoa học nói riêng Em có hội tiếp cận tìm hiểu sâu chất ánh sáng, tính chất ánh sáng tượng liên quan đến ánh sáng Tuy nhiên, kiến thức quang học mà em tiếp thu lý thuyết Vậy có ứng dụng sống chúng ta? Chính lý em bắt tay vào việc tìm hiểu mảng ứng dụng quang học lĩnh vực kiến trúc với đề tài “ Kỹ thuật chiếu sáng ’’ Từ thời kỳ sơ khai người biết tạo ánh sáng từ lửa, nhiên lúc người dùng lửa với tư cách nguồn nhiệt nguồn sáng Trãi qua thời kỳ dài lịch sử, người phát minh loại đèn thắp sáng chất khí Đến cuối kỉ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm thắp sáng điện Việc đem ánh sáng đến cho nhân loại, đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm xem thời điểm đời ngành chiếu sáng Ánh sáng coi nhân tố vô quan trọng, thiếu sống người Trong kiến trúc vậy, dù ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo sử dụng cách thích hợp tạo không gian thông thoáng dễ chịu thoải mái nhà hay phố Ánh sáng làm thay đổi cảm xúc người không gian kiến trúc Chiếu sáng cách nâng cao hiệu làm việc hay nghỉ ngơi mang tính kinh tế Sử dụng ánh sáng tự nhiên công trình kiến trúc khuynh hướng nhận quan tâm lớn thiết kế nhiều công trình kiến trúc Việc sử dụng tốt ánh sáng thiết kế công trình kiến trúc mang lại giá trị định nhiều mặt, công giá trị kinh tế xã hội Vậy người tận dụng ánh sáng tự nhiên nhân tạo để đạt hiệu tốt ? Đề tài “ Kỹ thuật chiếu sáng ’’ phần giúp cho tìm hiểu vấn đề MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Tìm hiểu kỹ thuật chiếu sáng tự nhiên nhân tạo GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Chỉ tìm hiểu kỹ thuật chiếu sáng tự nhiên nhân tạo qua tài liệu sách báo, internet, không vào thực tế PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN Tìm tài liệu liên quan đến đề tài, đọc, phân tích, tổng hợp sau lựa chọn vấn đề cho phù hợp với nội dung đề tài CÁC BƯỚC THỰC HIỆN Bước 1: Bước 2: Bước 3: Bước 4: Bước 5: Nhận đề tài Tìm kiếm tài liệu viết đề cương Viết luận văn nộp cho giáo viên hướng dẫn Hoàn chỉnh luận văn Báo cáo luận văn SVTH: Phan Nguyễn Thùy An Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh Phần NỘI DUNG  Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 SƠ LƯỢC CÁC GIẢ THUYẾT VỀ BẢN CHẤT ÁNH SÁNG Trong lịch sử khám phá, có nhiều lý thuyết để giải thích tượng tự nhiên liên quan đến ánh sáng Dưới trình bày lý thuyết quan trọng, theo trình tự lịch sử Lý thuyết sóng lý thuyết hạt ánh sáng đời thời điểm gây tranh luận lớn hai trường phái Lý thuyết hạt ánh sáng, Isaac Newton đưa ra, cho ánh sáng dòng hạt nhỏ nguồn sáng phát lan truyền môi trường đồng chất Kích thước hạt ứng với tia có màu sắc khác khác nhau: hạt tia màu đỏ lớn hạt tia màu tím Lý thuyết giải thích tượng phản xạ số tính chất khác ánh sáng; nhiên không giải thích nhiều tượng giao thoa, nhiễu xạ mang tính chất sóng.[1] Lý thuyết sóng ánh sáng, Christiaan Huygens đưa ra, cho ánh sáng xung đàn hồi, lan truyền môi trường đặc biệt gọi ête, lấp đầy toàn không gian thấm vào chất Như vậy, thuyết sóng ánh sáng coi ánh sáng với tính cách sóng ête, giống sóng âm không khí Lý thuyết giải thích nhiều tượng mang tính chất sóng ánh sáng giao thoa, nhiễu xạ; đồng thời giải thích tốt tượng khúc xạ phản xạ Tuy nhiên thuyết ánh sáng Christiaan Huygens chưa nhiều người quan tâm.[4] Đầu kỷ 19 công trình Young, Fresnel tượng giao thoa, nhiễu xạ, phân cực ánh sáng làm bật tính chất sóng ánh sáng Nhưng qua tượng đó, cho thấy thiếu sót thuyết sóng ánh sáng quan niệm ête học Ête không gây tác động đáng kể lên vật chuyển động nó.[1] Sau lý thuyết sóng lý thuyết hạt đời, lý thuyết điện từ James Clerk Maxwell năm 1865, khẳng định lại lần tính chất sóng ánh sáng Đặc biệt, lý thuyết kết nối tượng quang học với tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng trường hợp riêng sóng điện từ Các thí nghiệm Fizeau, Michelson cố gắng chứng thực hữu ête đến thất bại.[4] Tuy nhiên, thuyết điện từ không giải thích tượng tán sắc ánh sáng Do đó, Lorenx đưa thuyết electron để giải thích tượng Mặc dù, thuyết electron giải thích số tượng tán sắc, hấp thụ ánh sáng không giải thích tượng phát xạ vật đen tuyệt đối.[1] Để giải khó khăn này, năm 1900 Planck đưa thuyết lượng tử Planck Theo ông phát xạ ánh sáng vật đen không xảy cách liên tục mà gián đoạn, nghĩa thành phần lượng  xác định [4]:  = h   tần số phát xạ h số Planck Năm 1905 Albert Einstein phát triển thuyết lượng tử Planck thành thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon Theo Albert Einstein có phát xạ mà có hấp thụ lan truyền ánh sáng xảy dạng lượng tử riêng biệt, gọi lượng tử ánh sáng hay photon Mỗi photon mang lượng SVTH: Phan Nguyễn Thùy An Trang Luận văn tốt nghiệp xác đinh: E = hf = h GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh C  Quan niệm hạt photon dòng ánh sáng hoàn toàn khác với quan niệm hạt Newton Với quan niệm Einstein hạt photon ánh sáng tuân theo định luật học lượng tử từ quan niệm Einstein cho thấy ánh sáng mang lưỡng tính sóng - hạt.[1] Thuyết photon giải thích hàng loạt tượng mà thuyết điện từ ánh sáng tỏ bất lực (như phát xạ, hấp thụ, tượng quang điện, huỳnh quang,….) thuyết photon không phủ nhận thuyết điện từ ánh sáng Ngày thuyết điện từ ánh sáng thuyết photon hai thuyết đắn chất ánh sáng 1.2 MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC 1.2.1 Hiện tượng phản xạ ánh sáng Hiện tượng phản xạ ánh sáng tượng tia sáng chiếu xiên góc đến mặt phân cách hai môi trường tia sáng bị đổi phương truyền môi trường cũ ( Hình 1.1)[1]  Định luật phản xạ ánh sáng: - Tia phản xạ nằm mặt phẳng với tia tới pháp tuyến gương điểm tới - Góc phản xạ góc tới: i’ = i Hình 1.1: Sự phản xạ ánh sáng 1.2.2 Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Hiện tượng khúc xạ ánh sáng tượng ánh sáng truyền qua mặt phân cách hai môi trường suốt tia sáng bị gãy khúc (đổi hướng đột ngột) mặt phân cách hai môi trường.( Hình 1.2)[1]  Định luật khúc xạ ánh sáng: - Tia khúc xạ nằm mặt phẳng với tia tới bên pháp tuyến so với tia tới Đối với hai môi trường suốt định, tỉ số sin góc tới (sini) với sin góc khúc xạ (sinr) luôn số - Hằng số phụ thuộc vào chất hai môi trường gọi chiết suất tỉ đối môi trường chứa tia khúc xạ (môi trường 2) môi trường chứa tia tới SVTH: Phan Nguyễn Thùy An Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh (môi trường 1); kí hiệu n21 Hình 1.2: Sự khúc xạ ánh sáng Biểu thức: n sin i  n21  sin r n1 (1.1) - Nếu n21 > n2 > n1 sini > sinr i > r: Khi tia sáng từ môi trường có chiết suất nhỏ sang môi trường có chiết suất lớn cho tia khúc xạ lệch gần pháp tuyến so với tia tới Ta nói môi trường (2) chiết quang môi trường (1)(Hình 1.3) Hình 1.3: Góc khúc xạ n2 > n1 - Nếu n21 < n2 < n1 sini < sinr i < r: Khi tia sáng từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ cho tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến so với tia tới Ta nói môi trường (2) chiết quang môi trường (1) (Hình 1.4) SVTH: Phan Nguyễn Thùy An Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh Hình 1.4: Góc khúc xạ n1 > n2 - Nếu n21 = n2 = n1 sini = sinr i = r: Khi tia sáng truyền qua hai môi trường có chiết suất truyền vuông góc với mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác tia sáng truyền thẳng  Hiện tượng phản xạ toàn phần Từ biểu thức định luật khúc xạ ánh sáng, ta thấy: - Nếu n1 < n2 i > r Như tia tới cho tia khúc xạ - Nếu n1 > n2 i < r Trong trường hợp tia tới cho tia  khúc xạ Khi góc tới i đạt tới giá trị igh góc khúc xạ r  , lúc tia khúc xạ nằm trùng với mặt phân cách hai môi trường Khi i > igh toàn tia sáng tới bị phản xạ không tia khúc xạ Hiện tượng gọi tượng phản xạ toàn phần Góc igh gọi góc giới hạn phản xạ toàn phần xác định biểu thức: sin i gh  n2 n1 (1.2) Như điều kiện để xảy tượng phản xạ toàn phần ánh sáng phải truyền từ môi trường chiết quang sang môi trường chiết quang ( n1 > n2) góc tới phải lớn góc giới hạn 1.2.3 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng Hiện tượng hấp thụ ánh sáng tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ (hay lượng) dòng ánh sáng truyền qua Phần quang bị hấp thụ biến thành nội môi trường.[10]  Giải thích Ánh sáng bị hấp thụ truyền môi trường vật chất, truyền chân không không bị hấp thụ Điều chứng tỏ tựơng hấp thụ ánh sáng kết tương tác ánh sáng với nguyên tử (hay phân tử) cấu tạo nên môi trường SVTH: Phan Nguyễn Thùy An Trang Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh Cụ thể tác dụng điện trường sóng ánh sáng tới electron nguyên tử phân tử dịch chuyển hạt nhân, thực dao động điều hòa với tần số tần số ánh sáng tới Electron dao động trở thành nguồn phát sóng tới Do đó, cường độ sáng truyền qua môi trường thay đổi Vì toàn lượng bị hấp thụ nguyên tử giải phóng dạng xạ mà phần bị biến đổi thành dạng khác (nhiệt làm cho vật nóng lên), nghĩa xảy hấp thụ ánh sáng  Định luật Bouguer hấp thụ ánh sáng Giả sử chùm tia sáng đơn sắc song song có cường độ I0 rọi vuông góc vào môi trường đồng tính có chiều dày L giới hạn hai mặt song song (Hình 1.5) Do có hấp thụ mà cường độ ánh sáng khỏi môi trường I Để tìm cường độ I ta chia mẫu vật thành vô số lớp mỏng có độ dày dx , chọn phương x phương truyền chùm tia sáng góc tọa độ O nằm mặt trước môi trường mà ánh sáng qua.[10] Hình 1.5: Định luật Bouguer hấp thụ ánh sáng Gọi I cường độ mặt trước lớp mỏng I+dI (với dI Lb La[...]... dưới một góc khối) Trong kỹ thuật chiếu sáng, góc khối biểu thị cho không gian mà nguồn sáng bức xạ năng lượng của nó 1.3.3 Cường độ sáng Cường độ sáng của một nguồn điểm theo một phương nào đó là đại lượng vật lý có trị số bằng quang thông truyền đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó.(Hình 1.9) Cường đô sáng được tính theo công thức: [12] I d d (1.7) I: cường độ sáng, đơn vị là Candela (Cd)... là độ trưng của một nguồn sáng hình cầu có diện tích mặt ngoài 1m2 phát ra quang thông 1 Lumen phân bố đều theo mọi phương  Ý nghĩa: Độ trưng đặc trưng cho sự phát sáng theo mọi phương của vật phát sáng Độ trưng của bề mặt được chiếu sáng phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt 1.3.6 Độ rọi Quang thông và cường độ sáng là hai đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng, còn vật được chiếu sáng thì người ta dùng khái... ánh sáng do nó bức xạ có phổ hoàn toàn giống phổ ánh sáng của nguồn khảo sát Vì vậy để xác định nhiệt độ màu của nguồn sáng cần phải so sánh phổ ánh sáng của nó với phổ ánh sáng bức xạ của vật đen tuyệt đối được đốt nóng từ khoảng 2000 đến 100000K Từ thực nghiệm, người ta xác định nhiệt độ màu của các ánh sáng trắng khác nhau dưới đây: - 2500 – 30000K : ánh sáng lúc mặt trời lặn, đèn nung sáng, ánh sáng. .. hoàng hôn Như vậy, nguồn sáng có thể biến đổi màu sắc của các vật bị chiếu sáng bởi nguồn sáng đó Sự biến đổi này là do phổ của ánh sáng bức xạ gây ra Để đánh giá sự biến đổi màu do ánh sáng gây ra đó, người ta dùng chỉ số hoàn màu (kí hiệu CRI hay Ra) Chỉ số hoàn màu thay đổi từ 0 đối với ánh sáng đơn sắc, đến 100 đối với ánh sáng trắng Chỉ số hoàn màu càng cao thì chất lượng ánh sáng được xem là càng... 50000K : ánh sáng ban ngày khi trời sáng - 6000 – 80000K : ánh sáng ngày đầy mây, ánh sáng “lạnh” (giàu bức xạ màu xanh da trời) Qua nhiều nghiên cứu thực nghiệm về tiện nghi nhìn môi trường sáng người ta nhận thấy: Các nguồn sáng có nhiệt độ màu thấp chỉ thích hợp cho những nơi có yêu cầu độ rọi thấp Ngược lại những nơi có yêu cầu độ rọi cao lại đòi hỏi các nguồn sáng có nhiệt độ màu lớn (ánh sáng lạnh)... Xuân Dinh  Ý nghĩa: Thể hiện lượng quang thông chiếu đến một đơn vị diện tích của một bề mặt được chiếu sáng, nói cách khác nó chính là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu sáng SVTH: Phan Nguyễn Thùy An Trang 14 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Hoàng Xuân Dinh Chương 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG 2.1 MẮT NGƯỜI VÀ SỰ THỤ CẢM ÁNH SÁNG 2.1.1 Cấu tạo mắt người Mắt người là một đối... ta không dùng ánh sáng trực xạ của mặt trời để chiếu sáng tự nhiên nội thất các công trình 3.1.2 Ánh sáng tán xạ Là ánh sáng của bầu trời, tạo bởi sự khúc xạ và phản xạ của các tia mặt trời trong khí quyển Ánh sáng mặt trời chiếu xuống, bị tác động hấp thụ và khuếch tán mạnh của các phần tử không khí và các hạt lơ lửng (mây mù, bụi, cát, khói…), chúng làm giảm năng lượng mặt trời chiếu xuống nhưng... và không phụ thuộc vào phương hướng Bầu trời này được chọn làm bầu trời chuẩn trong chiếu sáng và đó là bầu trời bất lợi nhất.[4] 3.1.2.2 Bầu trời tiêu chuẩn trong thiết kế chiếu sáng  Bầu trời CIE (bầu trời đầy mây) Ủy ban quốc tế chiếu sáng CIE đã chọn bầu trời đầy mây làm bầu trời tiêu chuẩn trong thiết kế chiếu sáng tự nhiên (CSTN) Độ chói của bầu trời này phân bố theo qui luật Moon & Spencer [4]... Hình 3.2: Mô hình bầu trời chói đều 3.2 CƠ SỞ THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN 3.2.1 Đánh giá chiếu sáng Kết quả sử dụng ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng phòng được đánh giá trực tiếp bằng độ rọi tự nhiên (lux) tại các điểm khác nhau trên bề mặt làm việc của phòng (thường nằm ngang ở độ cao 0,85 m so với mặt sàn) Tuy nhiên khác với trường hợp sử dụng ánh sáng nhân tạo, khi độ rọi ngoài nhà thay đổi thì độ... phương Từ biểu đồ ta có thể biết được giờ nào thì dùng được ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng mà không cần dùng ánh sáng nhân tạo Hình 3.3: Biểu đồ phân bố độ rọi ngang ánh sáng tán xạ tại Hà Nội 3.2.2 Hai định luật cơ bản trong chiếu sáng tự nhiên Cơ sở thiết kế và mô hình hóa CSTN được thực hiện theo hai định luật cơ bản sau đây  Định luật hình chiếu góc khối Độ rọi tại một điểm bất kỳ trên mặt phẳng làm ... 4.2 LOẠI CHIẾU SÁNG VÀ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG Tùy theo mục đích chiếu sáng người ta phân biệt loại chiếu sáng: chiếu sáng làm việc chiếu sáng cố.[5] 4.2.1 Chiếu sáng làm việc Là chiếu sáng bình... Trong loại chiếu sáng người ta phân biệt kiểu hệ thống chiếu sáng: hệ thống chiếu sáng chung, hệ thống chiếu sáng cục hệ thống chiếu sáng kết hợp Hệ thống chiếu sáng chung dùng để chiếu sáng chung... hệ thống chiếu sáng kết hợp đèn chiếu sáng chung cho đối tượng có đèn chiếu sáng cục để chiếu sáng thêm cho mặt công tác cần có độ rọi cao có yêu cầu riêng chiếu sáng Hệ thống chiếu sáng kết