Chương I Tổng quan vấn đề nghiên cứu
2.3. Mầu sắc ánh sáng đèn
2.3.1. Mầu và sắc
Mầu và sắc không phải là những khái niệm đồng nhất. Trong tự nhiên ta gặp các mầu được chia thành hai nhóm: Mầu vơ sắc và Mầu có sắc.
- Mầu vơ sắc như mầu đen, trắng và xám (giữa đen và trắng), chúng không có trong phổ ánh sáng mặt trời nên coi là “khơng mầu”.
- Mầu có sắc là tất cả các mầu có trong phổ ánh sáng trắng và các mầu pha trộn giữa chúng.
Ánh sáng trắng ban ngày mà chúng ta nhìn thấy là ánh sáng phức hợp của nhiều ánh sáng đơn sắc có phổ tần số liên tục trong miền bức xạ nhìn thấy. Tuy vậy, chất lượng ánh sáng ban ngày thay đổi đáng kể theo điều kiện khí hậu, thời tiết.
Ánh sáng trắng do một nguồn sáng thông thường phát ra có năng lượng khơng đổi trong phổ nhìn thấy.
Khi cảm thụ ánh sáng, con người chịu tác động tâm lý của mầu sắc ánh sáng theo cơ chế “liên tưởng” và tạo ra cảm giác nóng, lạnh. Người ta phân biệt ba loại nguồn sáng: Ánh sáng nóng, ánh sáng trung tính (trắng) và ánh sáng lạnh.
Sự liên tưởng trên tạo ra mối liên hệ nhiệt độ - mầu, có nghĩa là ứng với mỗi mầu tương ứng với một nhiệt độ. Nhiệt độ mầu của nguồn tính theo Kelvin diễn tả
mầu của các nguồn sáng so với mầu của vật đen được nung nóng từ 2.000 oK đến
10.000 oK. Nhiệt độ mầu không phải là nhiệt độ thực của nguồn sáng mà là nhiệt độ
của vật đen tuyệt đối và khi được nung nóng đến nhiệt độ này thì ánh sáng do nó bức xạ có phổ hồn tồn giống phổ của nguồn sáng khảo sát.
2.3.2. Các yêu cầu về mầu sắc ánh sáng
Trong các tiêu chuẩn liên quan đến đèn chiếu sáng phía trước lắp trên xe có các quy định liên quan đến mầu sắc của ánh sáng đèn chiếu sáng phía trước như:
Mầu của ánh sáng đèn pha phải là mầu trắng hoặc vàng nhạt (QCVN 09:2011) hoặc trong TCVN 6974:2001 thì lại có khái niệm mầu trắng hoặc vàng chọn lọc đối với ánh sáng đèn pha.
Ánh sáng xanh là các ánh sáng có bước sóng ngắn, dễ tán xạ. Khi ánh sáng xanh chiếu vào nước (mưa, sương mù...), nó tán xạ theo tất cả mọi hướng và làm cho mắt người rất khó nhận biết các hình ảnh trên mặt đường. Ánh sáng xanh cũng là ánh sáng mà mắt khó chịu nhất khi nhìn vào, nó tạo ra cảm giác bị chói.
Trong thập kỷ 70, ở một số nước Châu Âu, người ta đã quyết định loại bỏ ánh sáng xanh khỏi phổ các ánh sáng của đèn chiếu sáng phía trước. Ánh sáng trắng sau khi đã được loại bỏ đi thành phần ánh sáng mầu xanh trong quang phổ của nó thì được gọi là “ánh sáng vàng chọn lọc” [23]. Nó có mầu hơi vàng nhạt và có thể có thêm một chút mầu cam. Theo các quan niệm trước đây thì đèn có ánh sáng vàng thường vẫn được cho là có hiệu quả sử dụng cao hơn trong các điều kiện thời tiết khơng tốt và khơng gây ra chói so với đèn có ánh sáng trắng. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu khoa học và kinh nghiệm của người Pháp khi sử dụng ánh sáng vàng chọn lọc, nếu so sánh với một đèn sử dụng ánh sáng trắng cùng cơng suất thì
độ rọi sáng của đèn có ánh sáng vàng giảm đi 12%. Điều này mới chính là nguyên nhân đã làm giảm độ chói của đèn sử dụng ánh sáng vàng chọn lọc.
Ngay cả khi xem xét về mầu ánh sáng của một đèn sương mù, thì một đèn sương mù tốt sẽ khơng tạo ra ánh sáng hướng lên phía trên và có ranh giới vùng sáng tối rõ ràng. Cho đến nay, ánh sáng vàng chọn lọc vẫn được xem là mầu phù hợp nhất với đèn sương mù bởi vì phần chính của chùm sáng (dưới ranh giới) ít gây ra chói nhất. Nhưng trong thực tế, chỉ khi ở trong điều kiện được gọi là “sương mù mầu xanh”, tức là khi kích thước các hạt nước nhỏ hơn nhiều lần các hạt nước trong sương mù thường gặp thì ánh sáng vàng chọn lọc (hoặc ánh sáng vàng thông thường) mới phát huy hết hiệu quả về khả năng truyền qua của nó. Một đèn sương mù khi khơng dùng ánh sáng vàng thì nó phải hạn chế được tối đa ánh sáng hướng lên trên và có ranh giới rõ ràng, và điều quyết định ở một đèn sương mù có tốt hay khơng là ở lượng ánh sáng hướng lên trên (càng ít càng tốt), và ranh giới vùng sáng (càng rõ càng tốt), chứ không phải mầu của chùm sáng.
Trong điều kiện sương mù, mưa thông thường, hạt sương thường có kích thước lớn hơn vài lần so với bước sóng ánh sáng do vậy sẽ khơng có hiệu ứng tán xạ của Rayleigh (hiệu ứng này đã giải thích vì sao bầu trời lại có mầu xanh). Thực chất việc sử dụng ánh sáng vàng chọn lọc khơng phải bởi vì nó “xun qua sương mù tốt hơn”. Theo các kết quả nghiên cứu thì khả năng nhận biết của mắt người với từng loại ánh sáng khác nhau. Mầu xanh và mầu tím là các mầu mà mắt người nhận biết rất khó. Các hình mầu xanh thường có khuynh hướng lệch ra khỏi võng mạc và ánh sáng mầu xanh được coi là nguyên nhân gây chói. Do vậy, việc quyết định loại bỏ ánh sáng xanh là nhằm mục đích tăng khả năng quan sát và giảm độ chói.
Một số phương pháp tạo ra ánh sáng vàng chọn lọc hiện nay như tạo ra lớp lọc chỉ cho ánh sáng vàng đi qua trên vỏ bóng đèn, trên gương phản xạ hoặc trên kính đèn có thể gây ra nhiều vấn đề phiền phức. Ví dụ: Các lớp phủ này có xu hướng làm tăng phần ánh sáng xanh theo các hướng quan sát khác, đó cũng là lý do vì sao một số đèn lại tạo ra ánh sáng xanh không mong muốn.
Theo tiêu chuẩn Mỹ thì mầu trắng được định nghĩa theo bước sóng ánh sáng. Nhưng như ta đã biết thì ánh sáng trắng không phải là ánh sáng đơn sắc thơng
thường, vì vậy, tiêu chuẩn này quy định ánh sáng trắng là tập hợp của các ánh sáng đơn sắc có bước sóng trong một khoảng nhất định. Đó là lý do vì sao mà đèn xenon phát ra ánh sáng mầu xanh nhạt thì vẫn được coi là ánh sáng “trắng” trong khi một số loại bóng “blue ion” hoặc “crystal blue” cũng có ánh sáng hơi xanh thì lại khơng được coi là ánh sáng trắng. Hoặc ánh sáng có xu hướng ngả sang ánh sáng vàng với một mức độ nào đó vẫn được coi là ánh sáng trắng. Ánh sáng vàng khơng gây ra nhiều độ chói khi trời mưa, sương mù nhưng trong điều kiện thời tiết bình thường thì khả năng quan sát lại không cao.
Các phiên bản mới nhất hiện nay của Tiêu chuẩn Châu Âu đối với đèn chiếu sáng phía trước (ECE R112 và ECE R113) cũng đã loại bỏ ánh sáng mầu vàng chọn lọc khỏi yêu cầu về mầu sắc của ánh sáng đèn chiếu sáng phía trước.
Nhận xét:
- Trong phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ không đủ điều kiện để nghiên cứu sự ảnh hưởng của sương mù, mưa. Do vậy, loại đèn chiếu sáng phía trước chống sương mù sẽ khơng được lựa chọn để nghiên cứu và tiến hành thí nghiệm.
- Các loại đèn chiếu sáng phía trước sử dụng ánh sáng vàng chọn lọc đến nay khơng cịn được chế tạo nữa, trong q trình thí nghiệm sẽ lựa chọn loại đèn chiếu sáng phía trước có ánh sáng trắng phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành.
2.4. Đèn chiếu sáng phía trước ơ tơ 2.4.1. Các loại đèn ô tô
Xét về công năng sử dụng, các loại đèn lắp trên xe ơ tơ có thể chia thành 3 nhóm, đó là: Nhóm đèn chiếu sáng lắp bên ngồi xe, nhóm đèn tín hiệu và nhóm đèn chiếu sáng lắp trong xe.
- Nhóm đèn chiếu sáng lắp bên ngồi xe:
Nhóm này gồm các đèn chiếu sáng phía trước như đèn chiếu sáng xa (đèn chiếu xa), đèn chiếu sáng gần (đèn chiếu gần), đèn sương mù (sử dụng khi trời mưa hoặc có sương mù), đèn gầm (các đèn được lắp ở vị trí tương đối thấp để hỗ trợ chiếu sáng vùng gần đầu xe và sát mép đường), đèn dùng ban ngày. Đèn lùi của xe được thiết kế để chiếu sáng phía sau xe khi xe được cài số lùi, mặc dù vậy, khả năng chiếu sáng của đèn này là khá hạn chế và chức năng chủ yếu lại là tín hiệu
cảnh báo. Nhóm này thơng thường được quy định sử dụng ánh sáng mầu trắng, một số loại đèn sương mù, đèn chiếu sáng phía trước có thể sử dụng ánh sáng mầu vàng.
- Nhóm đèn tín hiệu:
Nhóm này gồm các đèn có chức năng báo tín hiệu cho các đối tượng cùng tham gia giao thơng nhằm mục đích đưa ra các cảnh báo an toàn như đèn phanh, đèn báo chuyển hướng (đèn xi nhan), đèn kích thước, đèn đỗ xe, đèn cảnh báo nguy hiểm... Mầu sắc của từng loại đèn được quy định cụ thể và thống nhất để đảm bảo cho người lái và người cùng tham gia giao thơng có thể nhận biết được chính xác và dễ dàng. Các đèn trong bảng đồng hồ của xe với nhiệm vụ báo chức năng hoạt động của các hệ thống trên xe khơng được xếp vào nhóm này.
- Nhóm đèn chiếu sáng lắp trong xe:
Nhóm đèn này chỉ phục vụ cho việc quan sát, sinh hoạt của người lái và hành khách trên xe, không liên quan tới các yêu cầu an toàn khi vận hành nên khơng có quy định cụ thể, các hãng sản xuất tùy theo yêu cầu tiện nghi cho người sử dụng để thiết kế lắp đặt các đèn này.
2.4.2. Kết cấu và phân loại đèn chiếu sáng phía trước ơ tơ
2.4.2.1. Các dạng kết cấu thông dụng của đèn chiếu sáng phía trước
Đèn chiếu sáng phía trước thơng dụng sử dụng trên ơtơ thường có kết cấu gồm 3 phần chính: Phần kính đèn, gương phản xạ và bóng đèn. Ngồi ra, ở một số loại đèn chiếu sáng phía trước lắp trên các xe thế hệ mới thì có thể có trang bị thêm cơ cấu phụ như: cơ cấu điều chỉnh hướng đèn chiếu sáng phía trước, lau kính đèn...
Kính đèn chiếu sáng phía trước
Kính đèn chiếu sáng phía trước thường được làm bằng thuỷ tinh hoặc thủy tinh hữu cơ trong suốt. Nhiệm vụ chính của kính đèn là bảo vệ các kết cấu bên trong của đèn, đồng thời đảm bảo khả năng truyền ánh sáng theo đúng thiết kế. Trên một số loại đèn chiếu sáng phía trước, kính đèn có kết cấu gồm nhiều thấu kính và lăng kính kết hợp với nhau. Với kính đèn dạng này, ngoài nhiệm vụ bảo vệ nguồn sáng ra nó cịn có nhiệm vụ điều chỉnh hướng của các tia sáng để đạt được một chùm sáng của đèn chiếu sáng phía trước theo mong muốn của người thiết kế.
Các kính đèn loại này yêu cầu chế tạo với độ chính xác cao nhằm tránh những tia sáng khúc xạ không đúng hướng tạo ra ánh sáng chói đối với xe đi ngược chiều.
Gương phản xạ
Chức năng của gương phản xạ là phản xạ càng nhiều ánh sáng phát ra từ bóng đèn càng tốt, đồng thời đạt được mức chiếu sáng cần thiết cũng như việc phân bố chùm sáng trên mặt đường theo thiết kế.
Gương phản xạ thường được làm bằng thép lá hoặc nhựa và được mạ một lớp kim loại để tăng hệ số phản xạ ánh sáng. Gương thường có kết cấu dạng paraboloid hoặc là tổ hợp của nhiều gương paraboloid. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp kết cấu dạng này không đáp ứng được hết các yêu cầu đề ra, do vậy, ngày nay gương phản xạ thường thiết kế có nhiều biên dạng.
Bảng 2.3: Hệ số phản xạ của một số vật liệu [10] Vật liệu Hệ số phản xạ (%) Vật liệu Hệ số phản xạ (%) Bạc đánh bóng 92 Thạch cao trắng 80 Sơn trắng 75 - 90 Gương tráng bạc 80 - 90 Giấy trắng 80 Men sứ 70 - 80 Nhơm đánh bóng 87 Hợp kim thiếc 60 - 80 Đồng đỏ đánh bóng 60 - 70 Thép đánh bóng 60 Vàng đánh bóng 50 - 55 Đồng đánh bóng 40 - 50 Giấy nâu đậm 13 Giấy đen 5
Giấy mầu sôcôla đậm 4
Ánh sáng phát ra từ nguồn sáng đặt ở tiêu điểm của một gương paraboloid sẽ tạo thành một chùm sáng với các tia sáng gần như song song theo một hướng xác định về phía trước. Nếu quan sát từ điểm này, toàn bộ bề mặt của gương đóng vai trị như một nguồn sáng, nó có tâm phát sáng đặt tại tiêu điểm của gương. Tùy thuộc vào công suất của nguồn sáng, cường độ sáng của nó sẽ được tăng thêm theo hướng trục của gương. Chính vì vậy cường độ sáng của một đèn chiếu sáng phía trước phụ thuộc công suất của nguồn sáng, hệ số phản xạ và diện tích của bề mặt gương.
Một số loại gương phản xạ thông dụng được dùng trong các loại đèn chiếu sáng phía trước của ơ tơ:
- Gương phản xạ loại có bậc; - Gương phản xạ đồng tiêu điểm; - Gương phản xạ hai tiêu cự;
- Gương phản xạ sử dụng hệ thống gương ellipsoid.
Bóng đèn
Bóng đèn (nguồn sáng) là bộ phận quan trọng nhất của đèn chiếu sáng phía trước. Hiện nay, có nhiều loại bóng đèn chiếu sáng được sản xuất dựa trên các nguyên tắc vật lý khác nhau.
Do các yêu cầu đặc thù trong thiết kế, chế tạo cũng như trong sử dụng mà bóng đèn sử dụng trong đèn chiếu sáng phía trước của ơtơ thường được tiêu chuẩn hố. Khi chế tạo mới một kiểu loại đèn thì các nhà thiết kế thường phải lựa chọn loại bóng phù hợp có các thơng số kết cấu và đặc tính quang học xác định. Tuỳ theo hệ thống điện của xe mà có thể lựa chọn loại bóng đèn sử dụng điện áp danh định loại 6 V, 12 V hoặc 24 V. (Xem Phụ lục 6 Bảng PL6.1)
Bóng đèn dùng cho đèn chiếu sáng phía trước được chia thành các nhóm: - Bóng đèn sợi đốt thường;
- Bóng đèn sợi đốt halogen; - Bóng đèn xenon;
Đèn sợi đốt thơng thường có sợi đốt vofram cháy sáng trong mơi trường chân khơng hoặc khí trơ, loại này ngày nay ít được sử dụng do hiệu suất phát sáng thấp (10 lm/W) và tiêu tốn nhiều năng lượng, tuổi thọ bóng đèn cũng khơng cao (khoảng 500 - 1000 h).
Bóng đèn có thể phân biệt theo nguyên lý tạo ánh sáng [22]. Nguồn bức xạ ánh sáng thường là các nguyên tử bị kích thích. Để tạo nên điện tử kích thích, người ta thường sử dụng một trong bốn phương pháp sau đây:
- Kích thích nhiệt: Tạo bởi dao động nhiệt của các hạt vật chất trong chất rắn khi bị nung nóng. Đây là nguyên lý làm việc của đèn sợi đốt.
- Kích thích điện: Tạo ra bởi va chạm của các hạt mang điện được gia tốc trong điện trường. Đây là nguyên lý làm việc của các đèn phóng điện trong mơi trường khí.
- Kích thích quang: Tạo ra bởi sự hấp thụ photon. Đây là nguyên lý làm việc của các đèn huỳnh quang.
- Kích thích trong chất bán dẫn: Khi lớp chuyển tiếp p-n của một số chất bán dẫn được đặt vào điện trường ngoài theo chiều thuận sẽ phát ra các photon. Đây chính là nguyên lý hoạt động của các đi ốt phát quang (LED).
Một số nguồn sáng thường được sử dụng làm bóng đèn chiếu sáng phía trước như:
- Đèn sợi đốt, loại sợi đốt vonfram cháy sáng (nhiệt độ nóng chảy 3650 K) là một ví dụ về loại nguồn phát ra bức xạ nhiệt. Tuy nhiên, sự bay hơi của Vonfram và hiện tượng bị đen bóng đèn đã làm giảm tuổi thọ của loại bóng đèn này.
- Đèn halogen cho phép nhiệt độ của sợi đốt tăng lên gần tới nhiệt độ nóng chảy của vonfram. Loại đèn này được chứa đầy khí halogen (Iod hoặc Brom), ở vỏ nóng của bóng đèn, vonfram bay hơi sẽ kết hợp với khí halogen tạo thành halide vonfram. Hợp chất này ở dạng khí, có khả năng truyền sáng ổn định ở nhiệt độ từ 500 K đến 1700 K. Nó lại trở về sợi đốt nhờ sự đối lưu, phân hoá do nhiệt độ cao của sợi đốt thành vonfram và ở lại trên sợi đốt. Để duy trì được điều này, địi hỏi