Проектирование и расчет светового пространства

Алексей Битус

Эта статья посвящена наиболее сложному и спорному процессу - проектированию и расчету светового поля.

Сначала рассмотрим некоторые вводные соображения по этому поводу. Организация любых проектных работ предполагает определенные математические расчеты и физические обоснования, которые впоследствии становятся основой для инсталляции того или иного объекта. К сожалению, нет четко сформулированной и разработанной теории, позволяющей рассчитать световое пространство таких объектов, как клубы, дискотеки, «танцполы» или совмещенные комплексы. В таких случаях приходится использовать собственный опыт и фундаментальные знания общего порядка, предоставленные нам достаточно разработанной общей светотехнической теорией. Но всем понятно, что любая теория подтверждается практикой, которая на уровне создания облачена в форму нормативов и допусков, которых как раз для нашей деятельности и не хватает. Разработчики проектов шоу-индустрии вынуждены подгонять свои расчеты под существующие уже СНиП, что не всегда является верным и эффективным. Специалистам, занятым в области проектирования объектов шоу-индустрии, знакомы такие замечательные компьютерные программы, как Stardraw и Microlux, но они, при всей своей универсальности, разработаны под западного потребителя и очень размыто согласованы с нашими российскими стандартами. Да и приобретение их не так просто и довольно дорого. Безусловно, за неимением иного приходится прибегать при разработках и расчетах светового пространства именно к ним. Причинами этого являются следующие факты:

•  рассчитывать все-таки как-то надо;
•  приведенные в справочной литературе расчетные методы очень громоздки и неудобны;
•  в СНиП нет ссылок на особенности рассматриваемых освещаемых пространств, кроме устаревших нормативов на освещение театральных и концертных сцен, телевизионных студий и ресторанных зон, а этого, понятно, недостаточно.

 В связи с этим звучащий «крик души», надеюсь, подтолкнет соответствующих специалистов к решению назревшего вопроса. До сих пор непонятно, почему подобную тему обходят стороной, ведь мы имеем дело с досугом современного человека, и то, с каким интеллектуальным багажом мы вступим в 21 век, должно интересовать всех соответствующих специалистов. Более того, организация технического обеспечения досуга – есть прямое отражение уровня причастности того или иного государства к общемировой культуре в рассматриваемом техническом аспекте.

 Основными величинами, необходимыми для проектирования, являются:

•  освещенность, измеряемая в люксах (лк);
•  световой поток в люменах (лм);
•  световая отдача (лм/Вт);
•  мощность источника света (Вт);
•  сила света (кд).

Итак, приведем несколько известных методов расчета светового пространства, ссылаясь на данные в “Справочной книге по светотехнике” под. ред. д.т.н., профессора Ю.А. Айзенберга, М., Энергоатомиздат, 1995.

Точечный метод расчета освещенности

 Суть метода заключается в определении освещенности в точке горизонтальной, вертикальной и наклонной плоскости, исходя из определения светового потока от источника, падающего на элементарную площадку, содержащую расчетную точку. По форме распространения света источники подразделяются на точечные, от каждого из которых падает на рассчитываемую поверхность один луч, и линейные, где на поверхность падает ряд лучей, лежащих в одной плоскости (как частный случай линейных можно привести источники с бесконечным числом падающих в точку лучей, образующих телесный угол 2p).

Расчет сводится к определению вклада в освещенность каждого источника, характеризуемого силой света и направлением. В справочной литературе рассматриваются нюансы вычисления освещенности для круглосимметричных, некруглосимметричных точечных источников, светящихся линий и плоскостей. В случае точечного круглосимметричного источника освещенность в точке определяется по формуле (закон квадратов расстояний)

где I - сила света источника в выбранном направлении; j - угол между нормалью к освещаемой плоскости и выбранным направлением; h - расстояние от источника до освещаемой плоскости (проекция).

Все было бы достаточно просто, но оперативно воспользоваться формулой не получится, так как для определения необходимых величин используется множество объемных таблиц и номограмм, требующих детального инженерного подхода (см. указанную выше “Справочную книгу по светотехнике”). После определения подобным образом величин в дальнейшем применяется формула

где K – коэффициент запаса;

hн – КПД осветительного прибора для нижней полусферы лампы; m – отраженная составляющая; Se – сумма элементарных освещенностей от всех источников в выбранной точке. И, наконец, после довольно утомительных расчетов по полученному световому потоку Ф из таблиц определяют мощность и количество ламп, зная заранее тип осветительных приборов.

Для некруглосимметричных источников процесс расчета усложняется, так как приходится учитывать светораспределение по трем направлениям, в целом же подход аналогичен. Примером точечных источников является система освещения, состоящая из группы встроенных потолочных ламп типа spot.

При расчете освещенности с использованием излучателей, образующих длинные линии (например, линия люминесцентных ламп дневного освещения), источник света разбивается на элементарные участки и вводится понятие плотности светового потока ламп в линии (Фi), отнесенного к длине 1 м, т.е.

 где Фл – поток лампы в сплошном элементе длиной 1; l – длина равномерно распределенных разрывов по длине лампы (если они есть).

Используя кривые равной освещенности для выбранных типов ламп, определяют условную освещенность (e) и по формуле

рассчитывают необходимую плотность потока.

И, наконец, в рамках этого метода рассмотрим вариант расчета для светящихся плоскостей. Тут необходимо знать законы распределения света от всех элементарных участков поверхности, учитывая их размеры. Примером подобной ситуации может быть излучение от диффузной поверхности (большое количество растровых светильников, излучающих через рассеивающую поверхность, например молочное стекло).

Для горизонтальной прямоугольной светящейся поверхности освещенность определяется по формуле

где М – светимость; a и b – размеры светящейся поверхности; h – расстояние от светящейся поверхности до рассчитываемой плоскости. И в этом случае также существует система графиков и номограмм для вычисления освещенности при заданных параметрах.

Следующим методом расчета освещенности можно назвать метод с применением коэффициента использования.

Метод коэффициента использования

 Данный метод заключается в определении значения коэффициента использования h, который определяется как отношение светового потока, падающего на рассчитываемую поверхность, к полному световому потоку осветительного прибора. Тут необходимо помнить, что h=hсhп, где hс – КПД прибора, а hп – КПД помещения. Значения коэффициентов использования находят из справочных таблиц, в которых дана связь размеров помещения с их оптическими характеристиками и КСС (кривая силы света) источников.

В этом случае находят так называемый индекс помещения и коэффициенты отражения пола, потолка и стен. Индекс помещения (i) определяется исходя из формулы:

где a,b,h – размеры помещения.

Световой поток каждого источника равен

 где E – заданная освещенность (лк); K – коэффициент запаса; S – освещаемая площадь (м2);    z – величина, равная EсрЄEmin (соответственно средняя и минимальная выбираемые освещенности); N – число реальных источников (намеченное до расчета). По значению Ф находится оптимальная лампа из таблиц для определенного типа ламп (галогеновая, накаливания или разрядная той или иной фирмы), коэффициенты z и K также табличные данные. И, опять-таки, учитываются, световые потоки светильников в верхнюю или нижнюю полусферу и по специальным таблицам находят значения h. Подобный процесс довольно непростой и требует долгой и кропотливой работы.

В представленных методах, при всей их строгости, достаточно допущений, кроме того, они разработаны с учетом существующих нормативов СНиП для стандартных объектов и не принимают во внимание специфику интересующих нас объектов шоу-индустрии.

Любые методы расчета были бы неполными без определения еще некоторых величин. К ним относятся: цилиндрическая освещенность; коэффициент пульсации; показатель дискомфорта.

Коротко остановимся на этих понятиях. Цилиндрическая освещенность, характеризующая насыщенность помещения светом, определяется как средняя плотность светового потока на поверхности вертикально расположенного цилиндра, радиус и высота которого стремятся к нулю. Аппроксимационная формула для расчета силы света элементарного осветительного элемента (Ia) в этом случае выглядит следующим образом

где значение m можно рассчитать по формуле

здесь Фн – световой поток осветительного прибора в нижнюю полусферу, а I0 – сила света источника. Чтобы перейти к значению искомой освещенности, надо снова воспользоваться специальными таблицами. При определении цилиндрической освещенности пользуются следующими допущениями:

• поверхности выше усредненной плоскости принимаются равнояркими, диффузными;
• вся совокупность источников света принимается равнояркой, и каждый элемент имеет светораспределение выбранного источника.

Перейдем к понятию коэффициента пульсации. Он характерен для разрядных ламп, создающих пульсацию с частотой 100 Гц, которая может вызвать нежелательное воздействие на наблюдателя. По нормативам коэффициент пульсаций Кп не должен превышать значения 10 – 30%. Чтобы выбрать устраивающий коэффициент, используют таблицы, а перед этим определяют освещенность от каждого источника, включенного в отдельную фазу.

Понятие показателя освещенности тесно связано с психофизическим воздействием светового излучения на человека. Данный показатель рассчитывается по формуле:

где К – коэффициент, зависящий от яркости и спектра излучения, L – максимальная яркость источника; Ig – сила света элементарного направления к глазу наблюдателя; Ji – угол направления i – того источника; li – расстояние от выбранного источника до глаза наблюдателя; Lрп – яркость рабочей поверхности (кд/м). В этом, равно как и в других случаях, коэффициент рассчитывается по приведенной формуле или по таблицам из справочной литературы.

И последнее, выражение для показателя дискомфорта выглядит следующим образом:

где Lc – яркость светильника в направлении наблюдателя; w – телесный угол; r – индекс позиции; Lад – яркость адаптации (кд/м2). Методы расчетов аналогичны. Показатель дискомфорта имеет смысл в тех освещаемых зонах, где деятельность человека связана с длительной напряженной работой для глаз.

А теперь рассмотрим особенности освещения объектов шоу-индустрии среднего звена, т.е. клубов, дискотек, развлекательных комплексов и т.п.

Особенности и модели светового пространства на развлекательных объектах

Главной особенностью светового пространства развлекательных объектов среднего звена является их строгая привязка к концепции или общему дизайну функциональных зон заведения. В отличие от театрально-концертных объектов, где освещение лишь подчеркивает конструктивные элементы, здесь оно является элементом дизайна, а иногда может быть и основным определяющим моментом площадки. Очень часто специализированное освещение – это единственное, что присутствует в подобной обстановке. Установка каких-либо интерьерных источников света (кроме сигнальных) не предусматривается дизайн-проектом. В этом случае источники несут двойную «ответственность», являясь частью развлечения и интерьерной подсветкой одновременно. Именно по этой причине к расчету подобного светового пространства в принципе подходят традиционные методы, но из-за специфики самих же источников возникают следующие определенные сложности:

• в отличие от театрально-концертного освещения в нашем случае всегда присутствуют позиционная динамика (движение луча - (Pan и Tilt), спецэффекты, автоматическая смена фильтров (Color) и масок (Gobo), эффекты стробоскопирования (Strobe) и изменение размеров луча (Zoom);
• конструкция самих приборов и их оптическая схема, как правило, не рассматриваются в нормативных документах по причине быстрой смены ассортимента подобных изделий;
• из-за возникающих дизайнерских реализаций не всегда можно привязываться к общепринятым нормам, так как мы имеем дело с элементами развлечения и психофизическое воздействие подобного освещения на наблюдателя может быть самым неожиданным;
• функциональное назначение площадки часто бывает комплексным, совмещенным (танцевальная зона и сценическое пространство, ресторан и «дансинг» и т.д.).
• Учитывая все эти факторы, можно предложить гипотетическую модель, упрощающую расчет светового пространства, которую изложим в виде перечня допущений.
• Расстояние источника света до расчетной плоскости значительно больше размеров самого источника, т.е. источник можно считать точечным.
• Источник симметричный.
• Из-за наличия параболической отражающей поверхности в оптической схеме прибора можно допустить, что вся световая энергия лампы направлена через оптическое окно излучателя на площадку, потерями излучения пренебрегать.
• Расчет производить только для белого света, без цветных фильтров и не учитывать диафрагмирование луча специальными трафаретами.
• Так как мы имеем дело с позиционной динамикой, считать направление луча строго перпендикулярным к рассчитываемой поверхности, все остальные положения луча – лишь частный случай первого.
• Изначально считать помещение «черной» комнатой, не учитывать стороннюю засветку (фактически так оно и есть).
• В рабочем режиме могут функционировать от одного до определенного количества источников света (приборов), поэтому минимальным считать излучение от одного прибора.
• За «отправную точку» брать вертикальную освещенность в 300 лк, принятую как оптимальную для театральной площадки.
• Каждая функциональная зона рассчитывается отдельно, даже если в пределах одного помещения таких зон несколько.
• Из-за огромного ассортимента разнообразных приборов в расчетах следует привязываться к лампам, считая их основным объектом излучения.
• • Предложенный расчет использовать только для выбора специального оборудования, в случае проектирования помещений, подходящих под рассмотрение в СНиП, следует применять традиционные, описанные ранее методы.
• При расчетах местоположение приборов принимается равномерно распределенным в плоскости излучения, а расстояния от точек излучения до рассчитываемой поверхности одинаковое.
• Учитывается только высота помещения, размеры по длине и ширине считаем бесконечно большими.

Данные упрощения имеют право на рассмотрение опять же из-за высокой динамики процесса излучения. Изучать все возможные варианты положения луча в пространстве и его разнообразные оптические эффекты не имеет смысла, речь пойдет только об усредненных величинах. Главная задача –  выбрать оптимум, все остальное – лишь художественные вариации. Следует выбирать всегда четное количество приборов (исключением могут быть приборы типа «центральный эффект» или дополнительные спецэффекты). И еще одно важное замечание. Для практики необходим простой оперативный метод расчета, согласованный с нормативами освещения, принятыми в России. К этому принуждают, как правило, постоянные дизайнерские преобразования, изменения расположения приборов в процессе эксплуатации площадки, что является естественным для объектов подобного рода. В следующем номере мы рассмотрим гипотетический метод расчета и выбора источников освещения для объектов среднего (самого распространенного) звена шоу-индустрии.