Раздел 3. Экологические проблемы воздействия искусственных источников электромагнитных излучений оптического диапазона на окружающую среду
Лекция 10
Негативные последствия стробоскопического эффекта
1.Частота мигания ламп.
2.Использование стробоскопического эффекта в шоу.
3.Негативные последствия стробоскопического эффекта.
1.Частота мигания ламп
Пульсация светового потока возникает у источников света, которые работают на переменном токе. Это воспринимается как мигание света при пульсации светового потока. Частота мигания зависит от частоты переменного тока: 50 Гц или 60 Гц.
Пульсация источников света характеризуется коэффициентом пульсации, определяемым по соотношению максимальных и минимальных значений световых параметров. Подходы в определении коэффициента пульсации различны.
Например, в упрощенном виде коэффициент пульсации определяется из выражения:
, (1)
где Фмах, Фmin – соответственно, максимальное и минимальное значение потока излучения.
В этом случае максимальное и минимальное значение потока излучения находят по осциллограмме, которая представляет собой график колебания потока излучения (рис.1).
Рис.1. К расчету коэффициента пульсации по осциллограмме
Однако более точно коэффициент пульсации рассчитывается по формуле:
, (2)
где Фср, Еср – соответственно, средние поток лампы и освещенность из осциллограммы, определяемые как Ycp = S/l (S – площадь графика) из рис.2.
Рис.2. К расчету коэффициента пульсации по осциллограмме по площади графика
Значения коэффициента пульсации в некоторых световых приборах приводятся в таблице 1.
Таблица 1. Значения коэффициента пульсации в световых приборах
Тип источника в световом приборе | С одной лампой |
ДКсТ | 1,3 |
ДРЛ | 0,7 |
ЛЕЦ | 0,75 |
ЛДЦ | 0,40 |
ЛБ | 0,25 |
ДРИ | 0,30 |
Любые ЛН | До 0,10 |
Солнце | 0,005 |
ДКсТ – дуговая ксеноновая трубчатая лампа в одной кварцевой разрядной колбе;
ДРЛ – дуговая ртутная лампа с люминофором;
ЛД – лампа дневного света;
ЛБ – люминесцентная лампа белого света;
ДРИ – дуговая ртутная лампа с излучающими добавками.
Пульсация светового потока приводит к стробоскопическому эффекту – ложному представлению о движении.
Козинский, стр.89-90.
2.Использование стробоскопического эффекта в шоу
Стробоскоп (от греч. strobos – кружение, беспорядочное движение и skoрео – смотрю) изначально был прибором-игрушкой, представлявшей два диска, вращающихся на общей оси (рис. 1) (БСЭ).
Рис.1
На одном диске, как на циферблате часов, рисовались фигурки в различных фазах какого-либо повторяющегося процесса, например, отдельного положения движения шагающего человека. Ещё один диск, скреплённый с первым, прорезан радиальными щелями, через которые можно видеть расположенные за ними картинки.
При вращении дисков зритель в смотровое окошко и сквозь щели вращающегося диска видит последовательно на короткие мгновения каждую из картинок и это расчленённое по времени на дискретные фазы движение объекта воспринимается им в виде слитного образа, совершающего непрерывное движение.
Такое синтезирование единого зрительного образа движущегося предмета из последовательно предъявляемых через некоторые интервалы на короткое время отдельных его смещённых друг по отношению к другу изображений называется стробоскопическим эффектом 1-го типа.
Принцип действия древней игрушки был основан на фундаментальных свойствах аппарата человеческого зрительного восприятия, что позволило с успехом использовать его в ряде научных и технических применений и в шоу. Так, на нём основано воспроизведение движущихся изображений в современной кинематографии и телевидении.
Стробоскопический эффект 2-го типа – иллюзия не движения, а, напротив, неподвижности предмета, на самом деле совершающего движения. При этом условием кажущейся остановки стробоскопически наблюдаемого предмета, совершающего периодическое движение с частотой fo, будет равенство или кратность этой частоты частоте стробоскопического освещения fcтp.
Если, например, частота вспышек света, который освещает вращающуюся спицу (рис. 2), будет равна числу оборотов спицы за 1 сек, то спица будет освещаться каждый раз в одном и том же положении "О" (в одинаковой фазе кругового движения) и зрительно она будет казаться неподвижной.
Рис.2
Если же частоту появления вспышек несколько уменьшить, то период между вспышками увеличится и за этот период спица будет совершать целый оборот, плюс поворот ещё на небольшой угол, следовательно, при каждой следующей вспышке она будет казаться немного сдвинутой в направлении вращения, последовательно в положении 1, 2, 3 и т. д., то есть она будет казаться медленно вращающейся в том же направлении, как это показано на рис. 2 а.
В том случае, когда частота вспышек немного больше числа оборотов спицы в сек, каждая последующая вспышка будет освещать спицу в положении, пока она не сделала ещё полного оборота, то есть последовательно в положениях О, 1, 2, 3... и т. д. (рис. 2 б), и она будет казаться медленно вращающейся в противоположную сторону от её реального движения.
Такое же кажущееся обратное вращение спицы возникает и в случае, когда частота вспышек почти вдвое, втрое или вчетверо меньше вращения спицы. Этим объясняется стробоскопическая иллюзия, которую мы иногда видим в кино.
Стробирование применяют в телевидении, вычислительной технике и т. д. в системах, где необходимы выделение сигнала на фоне естественных или искусственных помех и корректировка отдельных характеристик сигналов.
В частности, стробирование находит применение в радиолокации – в системах поиска, сопровождения по дальности или по угловым координатам, при определении скорости цели. Так, если при определении дальности до цели с помощью импульсной радиолокационной станции известен интервал времени прихода импульса, отражённого от цели tи (то есть с точностью tи известно положение цели), то достаточно принимать отражённые импульсы (сигналы) лишь в течение этого времени, открывая вход приёмника стробирующим импульсом (стробом) длительностью tK, а остальное время держать приёмник «закрытым». В результате значительно снизится общий эффект действия помех и повысится помехозащищённость системы.
Стробоскопический эффект применяется еще в одной совершенно неожиданной области – в стробоскопии.
Стробоскопия (от греч. strobos – кружение, беспорядочное движение и skopeo – смотрю), наблюдение за движением голосовых складок (связок) методом непрямой ларингоскопии с применением прерывистого света.
Стробоскопия применяют для определения функциональных и органических поражений гортани.
Стробоскопия проводится при помощи стробоскопа (стробофона). Стробоскопия даёт возможность настраивать частоту световых импульсов на частоту колебаний истинных голосовых складок испытуемого. При использовании электронного стробоскопа настройка производится автоматически. Если частота световых импульсов совпадает с частотой колебаний складок, то они кажутся неподвижными. При искусственном сдвиге частоты световых импульсов по отношению к колебаниям голлсовых складок становятся видимыми их колебания.
Стробоскопическому эффекту посвящено практическое занятие.
3.Негативные последствия стробоскопического эффекта
Следует заметить, что при частотах вспышек, кратных частоте вращения спицы, возникает удвоение, утроение, учетверение и т. п. увеличение кажущегося числа спиц, застывающих неподвижно на равных друг от друга угловых расстояниях по ходу её вращения.
Стробоскопы находят широкое применение во всех областях человеческой практики, связанных с использованием стробоскопического эффекта. Так, стробоскопический эффект 2-го типа применяется при изучении движения объектов с периодической структурой (вращающиеся диски, движущиеся линейки с делениями, колёса, валы и т. п.). Его используют, например, в индикаторах угловых скоростей [БСЭ].
Негативные последствия стробоскопического эффекта проявляются в том, что вращающиеся объекты (например, узлы и детали токарного станка) кажутся неподвижными, что приводит человека к заблуждению. В итоге рабочий может получить травму.
Как известно, люминесцентные лампы могут вызвать стробоскопический эффект, при котором вращающиеся детали кажутся остановившимися.
Пульсации освещенности нормируют по коэффициенту Кп, численное значение которого зависит от разности максимальной Emax и минимальной Emin освещенностей по отношению к средней за период колебания:
. (24.1)
При этом коэффициент пульсации освещенности выражается в процентах.
Для исключения явления стробоскопического эффекта и поддержания гигиенических условий освещения устанавливают допустимые значения коэффициента пульсации освещенности, приведенные в табл.1.
Таблица 1. Допустимые значения коэффициента пульсации освещенности (по СНиП II-4-79)
Система освещения | Коэффициент пульсации освещенности, %, при разрядах зрительной работы | ||
I, II | III | IV...VIIIа | |
Общее освещение | 10 | 15 | 20 |
Комбинированное освещение: - общее - местное | 20 10 | 20 15 | 20 20 |
Для уменьшения пульсации светового потока светильники оборудуют не менее чем двумя лампами. При этом лампы включают в разные фазы сети или применяют специальные схемы включения.
Однако и в этом случае по мере удаления ламп друг от друга пульсация освещенности на рабочей поверхности возрастает.
Для большинства работ коэффициент пульсации Кп ограничивается значением 20 %, что требует установки разрядных ламп с соответствующими пускорегулирующими аппаратами или включения ламп на разные фазы питающей электрической сети (табл. 24.1).
Тип лампы | Кп, % при включении | ||
на 1 фазу | на 2 фазы | на 3 фазы | |
ЛБ | 24 | 10 | 3 |
ЛД | 41 | 17 | 5 |
ДРЛ | 65 | 31 | 7 |
ДКсТ | 130 | 60 | 15 |
ЛБ – люминесцентная лампа белого света;
ЛД – лампа дневного света;
ДРЛ – дуговая ртутная лампа с люминофором;
ДКсТ – дуговая ксеноновая трубчатая лампа в одной кварцевой разрядной колбе.
