Основы расчета и проектирования освещения

Основными задачами светотехнических расчетов являются:

· при естественном освещении — определение требуемой площади световых проемов;

· при искусственном — определение потребной мощности осветительной установки.

Общая площадь световых проемов (окон S₀ или световых фонарей S_Ф), необходимая для обеспечения нормированного значения КЕО е_Н главным образом зависит от площади помещения S_П и определяется в зависимости от устройства освещения как:

(при боковом освещении);

(при верхнем освещении),

где S_П — площадь пола; h₀ и h_Ф — световая характеристика окна или фонаря; К_ЗД — коэффициент, характеризующий затенение окон от противостоящих зданий; К_З — коэффициент запаса, характеризующий уменьшение светового потока из-за запыления; t₀ — общий коэффициент светопропускания проема; r₁ и r₂ — коэффициенты, учитывающие повышение КЕО от отраженного света. Величины S позволяют определить необходимое количество световых проемов с заданными размерами (или наоборот).

Для расчета искусственного освещения используются 3 метода расчета:

Метод светового потока или коэффициента использования предназначен для расчета общего освещения горизонтальных поверхностей. Световой поток группы из N светильников, необходимый для обеспечения нормируемой освещенности Е, составляет

,

где S — площадь освещаемого помещения; z — коэффициент минимальной освещенности; k — коэффициент запаса светильников; h — коэффициент использования светового потока светильников.

Коэффициенты z и k учитывают, соответственно, пульсации светового потока и его уменьшение при эксплуатации от износа и запыления. Коэффициент h зависит от типа светильников, коэффициентов отражения стен, пола и потолка, от размеров помещения. Его величина показывает долю светового потока, поступающего на освещение горизонтальных поверхностей.

По полученному значению светового потока Ф выбирается ближайшая стандартная лампа и определяется мощность осветительной установки.

Точечный метод применяется для дополнительного расчета местного освещения в системе комбинированного. Определяется освещенность в расчетной точке ,

где I_a — сила света в направлении от источника на расчетную точку А рабочей поверхности; a — угол между нормалью рабочей поверхности и направлением светового потока.

Метод удельной мощности применяется для ориентировочных расчетов. Этот метод позволяет определить мощность каждой лампы для создания нормируемой освещенности ,

где р — удельная мощность, Вт/м² (р — это отношение мощности осветительной установки к площади помещения S); N — количество ламп. Величины Р приведены в светотехнических справочниках в зависимости от типа светильников, требуемого уровня освещенности, схемы расположения светильников, площади помещения и других параметров помещения и осветительной установки.

Проектирование искусственного освещения связано с реализацией нескольких этапов:

· выбор типа источников света (ламп накаливания или газоразрядных ламп);

· выбор системы освещения. Наиболее экономична комбинированная система, но в гигиеническом отношении система общего освещения более совершенна, т.к. минимизирует адаптацию и усталость глаз. Выбор зависит от конкретных условий деятельности;

· выбор типа светильников с учетом характеристик светораспределения, обеспечивающих максимальный коэффициент использования светового потока h, ограничения прямой блесткости, по экономическим показателям, условиям среды (в том числе взрыво-и пожароопасности);

· выбор схемы расположения светильников для общего освещения) и предварительное определение их количества;

· определение нормируемой освещенности. Для общего и комбинированного освещения величина Е устанавливается в зависимости от характера зрительной работы, кроме того, для комбинированной системы нормами задается распределение Е между общим и местным освещением в виде доли общего освещения в системе комбинированного;

· расчет параметров осветительной установки и определение ее мощности.

Для получения оптимальных параметров возможна корректировка схемы и количества светильников. Если директивно выбраны тип и мощность источников, то необходимое количество светильников N определяется по формуле для расчета светового потока Ф.

Защита от шума

Потери общества от шума весьма значительны. Они образуются из-за профессиональных заболеваний, увеличения длительности и частоты заболеваний с временной потерей, снижения производительности труда и т.д. Практически при всех видах деятельности шум является одним из основных вредных производственных факторов. В США около 730 млн. долларов составляют компенсационные выплаты и затраты, связанные с потерями рабочего времени и снижением производительности труда. К примеру, увеличение шума с 55 до 75 дБ вызывает снижение производительности на 15%. Интенсивный шум является фактором, приводящим к необратимым морфологическим изменениям слухового аппарата, травмирующим нервную систему, нарушающим гармоническую координацию систем организма, влияющим на высшую нервную деятельность.

Характеристики шума

Шум — это звук, оказывающий неблагоприятное воздействие на здоровье и работоспособность человека.

Звук как физическое явление — это колебания упругой (воздушной) среды в диапазоне слышимых частот от 20 до 20000 Гц. Звук характеризуется энергией или мощностью источника W, звуковым давлением Р, интенсивностью I и частотой f.

Частицы упругой среды, колеблясь относительно положения равновесия, создают в каждой точке звукового пространства переменное по времени давление. Разность между мгновенным значением этого давления и первоначальным давлением в невозмущенной среде называется звуковым давлением Р. Единица измерения — паскаль (Па).

Интенсивность звука I — это поток энергии, переносимый звуковой волной в единицу времени, отнесенный к единице площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны I=W/S. Величина I также зависит от звукового давления Р и параметров среды: плотности r, кг/м³; скорости распространения в ней звука с, м/с

I=Р²/r×с,Вт/м²

Действие шума зависит от его частоты f. Поскольку звуковой диапазон очень велик, то для удобства анализа и акустических расчетов используются следующие приемы: во-первых, весь звуковой диапазон разбивается на октавные полосы, во-вторых, в качестве реперной точки в каждой октаве принимается среднегеометрическая частота, в-третьих, принимается, что нижняя граничная частота первой октавы составляет 45 Гц.

Октавная полоса — это полоса частот, в которой верхняя граничная частота f_В равна удвоенной нижней частоте f_Н, т.е. f_В=2f_Н. Т.к. среднегеометрические частоты октавных полос составляют f_СГ= , то все расчеты ведутся на восьми частотах — 63, 125, 250¼8000 Гц.

Перечисленные характеристики являются физическими. Диапазон их изменения очень велик, поэтому они практически не используются для расчетов. В реальных условиях Р и I меняются от порога слышимости до болевого порога, соответственно, в 10⁸ и 10¹⁶ раз. Это первое ограничение, второе состоит в характере восприятия звука.

В соответствии с общебиологическим законом Вебера-Фехнера сила ощущения звука пропорциональна приращению его энергии. Указанные обстоятельства позволяют ввести удобную для расчетов логарифмическую величину — уровень шума L, измеряемый в децибелах дБ, который можно определить несколькими способами в зависимости от исходных данных как: уровень звукового давления, уровень интенсивности звука или уровень мощности.

Уровень интенсивности звука определяется по формуле:

L_I=10lgI/I₀,

уровень звукового давления —

L_P=20lgP/P₀,

уровень мощности —

L_W=10lgW/W₀ ,

где I₀, Р₀, W₀ — соответственно, интенсивность, давление и мощность звука на пороге слышимости на частоте 1000 Гц (I₀=10^-12 Вт/м², P₀=2×10^-5 Па, W₀=10^-12 Вт).

Если в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, то складываются их интенсивности, но не уровни.

I_å=I₁+I₂+...+I_N

Суммарный уровень шума при этом составит

Для N одинаковых источников (L_i=const)

L_å=10×lgN+L_i

Классификация шумов

В соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96шумы классифицируются по спектральным и временным характеристикам. В зависимости от характера спектра шумы бывают:

· широкополосными, обладающими непрерывным спектром шириной более одной октавы;

· тональными, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона, (например, шум дисковой пилы).

По временным характеристикам шумы подразделяются на:

· постоянные, уровень которых за 8-часовой рабочий день меняется не более, чем на 5 дБА;

· непостоянные, уровень которых за 8-часовой рабочий день меняется более, чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы также делятся на:

· колеблющиеся во времени — уровень которых непрерывно меняется;

· прерывистые — уровень которых резко падает до уровня фонового шума, причем длительность интервала постоянного, превышающего фоновый уровень шума составляет более 1 с;

· импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, отличающиеся по уровню не менее чем на 7 дБА.

Действие шума на человека

Восприятие человеком шума зависит от соотношения его частотных характеристик и уровня. Слуховой анализатор неодинаково воспринимает звуки с равной интенсивностью, но разной частоты. Ощущение силы звука на практике оценивается его громкостью. На рис. приведены зависимости между громкостью звука и его уровнем. Каждая кривая характеризуется одинаковой громкостью во всем диапазоне слышимых частот. Очевидно, что в диапазоне 800¼4000 Гц даже при минимальной интенсивности звук хорошо слышим. По мере уменьшения или возрастания частоты для такого же восприятия звука необходимо увеличивать его интенсивность или мощность.

Звуки, превышающие по своему уровню порог болевого ощущения (L=120 дБ при f=1000 Гц), могут вызвать боли и повреждения слухового аппарата.

Шум оказывает комплексное воздействие на человека:

1. Длительное воздействие шума с уровнем более 80 дБА приводит к частичной потере слуха (тугоухости или профессиональной глухоте).

2. В последние годы тугоухость выходит на ведущее место в структуре профзаболеваний.

3. Шум воздействует на центральную и вегетативную нервные системы, что ведет к значительному изменению в функциональном и психологическом состоянии человека.

4. Постоянное воздействие интенсивного шума приводит к увеличению физических и психологических усилий на 10¼20% при выполнении одной и той же работы.

5. Установлено повышение на 10¼15% общей заболеваемости рабочих шумных производств.

6. Раздражающее действие шума способствует повышению производственного травматизма.

7. Шум может маскировать предупредительные сигналы, например, при аварийной ситуации, когда она сопровождается изменением акустических характеристик аварийного оборудования.

Нормирование шума

Нормируются допустимые уровни шума на рабочих местах и во всех остальных зонах пребывания человека. Нормирование производится по предельному спектру и по общему уровню шума

В первом случае допустимые уровни нормируются в восьми октавных полосах на среднегеометрических частотах эти октав. Совокупность допустимых уровней на этих частотах называется предельным спектром. Каждый из спектров имеет индекс ПС и номер N, соответствующий допустимому уровню звукового давления на частоте 1000 Гц (N_i=L_{1000 i}). В соответствии с характером восприятия шума закономерным является уменьшение допустимых уровней с ростом частоты.

Для ориентировочных расчетов используется нормирование общего уровня шума L_А в дБА. Этот уровень связан с предельным спектром зависимостью

L_Аi=N_i+5, дБА.

Использование того или иного предельного спектра для нормирования зависит от характера рабочих мест, вида производства и т.п.