建筑物理2014(光学)

建筑物理环境（光学）刘博[e-mail]教学要求期末考查：最后一次课随堂闭卷考试平时考查：出勤+平时作业+随堂实验“平时成绩”占课程总评成绩的40%，“考查（试）成绩”占课程总评成绩的60%。参考教材刘加平编著﹒建筑物理﹒北京：中国建筑工业出版社建筑采光设计标准（GB/T50033－2013）建筑照明设计标准（GB50034－2013）光起初神创造天地。地是空虚混沌。渊面黑暗。神的灵运行在水面上。神说，要有光，就有了光。神看光是好的，就把光暗分开了。神称光为昼，称暗为夜。有晚上，有早晨，这是头一日。建筑师需要掌握什么了解建筑采光和照明的基本原理，掌握采光设计标准与计算；了解室内外环境照明对光和色的控制；了解采光和照明节能的一般原则和措施。————《国家一级注册建筑师考试大纲》课程结构基本知识：与建筑有关的光度学、色度学；天然采光：各种采光窗的采光特性，采光设计及其计算方法；人工照明：人工光源和灯具的光学特性，基本的照明设计和简单的计算方法。第七章建筑光学基本知识章节要点人眼的光学结构和视觉特征基本光度单位及相互关系材料的光学性质视度及其影响因素一些基本概念视场、光谱光视效率、照度、亮度、定向反射（透射）、扩散反射（透射）、视度、眩光1眼睛与视觉可见光波长范围：380nm-780nm紫外线380nm:UVA320～420nmUVB275～320nmUVC200～275nm红外线780nm:所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。1眼睛与视觉1眼睛与视觉眼睛的构造视网膜：——锥状细胞：在明亮的环境下起作用，能分辨物体的颜色和细部。对明暗变化反应快。主要分布于视网膜最敏锐的黄斑部（视野中心）。——杆状细胞：在黑暗环境中起作用，能看清物体的轮廓。不能分辨物体的细部和颜色。明暗变化反应缓慢。分布于视网膜中心窝以外部分。ACKELWECEIDK1眼睛与视觉视看范围——人眼的水平面视野为180，垂直面130，其中向上为60，向下为70。——中心视野往外30的视觉范围，看东西的清晰度比较好。1眼睛与视觉明、暗视觉明视觉：主要由锥体细胞起作用。特征：有颜色感觉，适应亮度变化能力强；暗视觉：主要由杆体细胞起作用。特征：只有明暗感觉，无法辨别细节，适应能力低。中间视觉：眼睛适应亮度介于明视觉和暗视觉适应亮度范围之间时，由视网膜的锥细胞和杆细胞同时起作用的视觉。（午夜晴天下的满月）1眼睛与视觉1眼睛与视觉光视效率luminousefficacyoflightsource(l)me,e,Vllff=1眼睛与视觉影响明暗感觉的因素：（1）光源的辐射通量：辐射通量越大，感觉越明亮。（2）波长：功率相同，波长不同，明暗程度不同。对同样功率的光，明环境下555nm的黄绿光最亮，暗环境下507nm的绿光最亮。（可用Photoshop做个小实验）2基本光度单位及应用通量：传递的能量强度、亮度、出射度：从源发出的辐射照度：被照表面积上接收到的辐射2基本光度单位及应用光通量LuminousFlux为了比较任意两个灯发出的可见光的多少，由于光能随波长分布不同，因此不能直接用辐射通量（瓦）多少比较，只能转化成相当于多少555nm标准光通量。1、概念：光源在单位时间内发射出的以人眼感觉为基准的能量。2、单位：光瓦或流明lumen（lm）1光瓦=683lm，Km=683lm/W例：已知低压钠灯发出波长为589nm的单色光，设其辐射通量为10.3W，求光通量？解=KmV(l)fl=683×10.3×0.769=5410lm100W白炽灯：1250lm40W日光灯：2200lm(l)eVl=KmS,发光强度LuminousIntensity描述光通量在光源空间的分布特性，它表示光源在不同方向上的光通量分布特性，某个方向上的分布密度；符号Iα；单位：坎德拉（cd）光度量中最基本的单位是发光强度的单位——坎德拉（Candela），记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。它的定义是发出频率为540×1012Hz（对应在空气中555nm的波长）的单色辐射，在给定方向上每单位立体角（1个球面度）辐射能为1／683W时的发光强度规定为1cd。（1979）发光强度LuminousIntensity立体角立体角：任意一个封闭圆锥面内所包含的空间单位：球面度sr整个球面的立体角——4π发光强度LuminousIntensity例：一光源在0.5sr立体角内均匀发射出100lm的光通量，求该方向上的发光强度？解：例：一光源向球面均匀发射出1260lm的光通量，求该光源的发光强度？照度Illuminance被照物体单位面积上接收的光通量的大小同一本书，偏离灯正下方暗一些，说明反射到被照面上光通量不相同。E=dΦ/dA平均照度：E=Φ/A单位：勒克斯luxlx，1lx=1lm/1m2烛光fc=10.76lx（英制）白天在教室看书需要至少100lx例：在40w白炽灯下1m处的照度约为30lx，加一搪瓷伞形罩后照度增加到73lx；阴天中午室外照度为8000—20000lx；白天中午在阳光下的室外照度可高达80000—120000lx。发光强度与照度的关系1Lux=1lumenpersquaremeter=0.0929footcandle1footcandle=1lumenpersquarefoot=10.764Lux1footLambert=3.426candelaspersquaremeter(nit)1nit(candelaspersquaremeter)=0.2919footLambert发光强度与照度的关系发光强度光通量空间密度照度光通量被照面密度余弦定律平方反比定律dE=IdAaW例题如图所示，在距离桌面2米处挂一只40w白炽灯，设白炽灯的发光强度I0~25°=30cd，I25~45°=25cd，求灯下桌面上1、2两点处的照度。【解】：由式可得1、2两点处的照度分别5lx.70cos230cos221===aarIElxrIE4.55.26cos1225cos222=+==aaaacos2rIE=亮度Luminance•照度相同，颜色不同的两个物体，看起来不一样亮。•发光体在视线方向上单位面积发出的光强密度。Lα=Iα/（Acosα）单位：尼特nits：nt（cd/m2）英制单位为英尺朗伯（Footlambert,fl）1熙提stilb（sb）=104cd/m2=1cd/cm2白炽灯灯丝亮度约为300——500sb荧光灯灯管表面亮度为0.8——0.9sb亮度Luminance1、亮度对光源本身的（照度是指被照面）2、a—辐射角，是光源法线与视线夹角。i—被照面法线与视线夹角3、单位：面积常取平方米物理亮度(亮度)、表观亮度(明亮度)例：白天的路灯和晚上的同一路灯亮度一致，物理亮度；白天的路灯看上去不如晚上的同一路灯亮，表观亮度亮度和照度的关系一个在各方向上亮度相等的发光表面Ａ1，在另一表面Ａ2上形成照度E，则表面Ａ1的亮度和Ａ2的照度之间的关系为：某一发光表面在被照面上形成的照度，仅和发光表面的照度及其在被照面上形成的立体角投影有关。亮度和照度的关系基本光度量的名称、符号和定义方程名称定义符号单位公式光通量光源发出可见光的总量流明(lm)＝Km∑e,lV(l)发光强度光源光通量在空间的分布密度Iα坎德拉1cd＝1lm/1srIα＝d/dW照度被照面接收的光通量E勒克斯1lx＝1lm/1m2E＝d/dA亮度光源或被照面的明亮程度Lα坎德拉每平方米(cd/m2)，ntLα＝Iα/(A·Cosα)3材料的光学性质采光材料照明材料发光物体不发光物体一、光线的传播过程直线传播能够透射能够反射作为一种能量，能够被吸收和转化光线的传播过程•透射光线的传播过程•透射光线的传播过程•透射光线的传播过程•吸收光线的传播过程•反射光线的传播过程•反射光线的传播过程•反射光线的传播过程•能量守恒定律：反射、吸收、透射定向反射和透射定向反射和透射：光经过材料反射或透射后，光分布立体角不改变定向反射：镜子、磨光金属、磨光石材定向透射：玻璃亮度和发光强度：扩散反射和透射•按光分布大小分成两类：均匀扩散和定向扩散•均匀扩散反射•均匀扩散透射•发光强度：朗伯余弦定律扩散反射和透射定向扩散反射定向扩散透射常用材料光学特性•在天然采光和人工照明中•透光材料：玻璃•装饰材料4可见度及其影响因素人眼辨认物体存在或形状的难易程度称为可见度。又可称为能见度、视度。可见度影响因素影响因素一：亮度随着视觉目标物体亮度的增大，可见度也增大；随着视觉目标物体亮度的增大，可见度也增大；但亮度过高，超出眼睛的适应范围，视觉灵敏度反而会下降，引起眼睛疲劳。影响因素一：亮度视觉下限：3.2×10-6cd/m2感到刺眼：1.6×105cd/m2视觉舒适的照度(西欧)1500-3000lx影响因素一：亮度物体的尺寸，眼睛至物件的距离都会影响人们观看物件的可见度。大而近的物体看得清楚，反之则可见度下降。影响因素二：物体相对尺寸影响因素二：物体相对尺寸影响因素二：物体相对尺寸α：视角d：需要辨别的物体尺寸l：眼睛至物件的距离影响因素三：亮度对比观看对象和其背景之间的亮度差异，称为亮度对比；差异越大，可见度越高。比如：影响因素三：亮度对比观看对象和其背景之间的亮度差异，称为亮度对比；差异越大，可见度越高。比如：我爱上刘老师的课快点下课吧影响因素三：亮度对比亮度对比系数C：C=(Lt-Lb)/Lb=ΔL/LbLt——目标亮度Lb——背景亮度对于均匀照明、无光泽的背景和目标C=(ρt-ρb)/ρb=Δρ/ρbρt——目标光反射比ρb——背景光反射比LbLt影响因素三：亮度对比以增大亮度对比，来塑造建筑视觉感受亮度、物体相对尺寸、亮度对比对可见度的综合影响视觉功效曲线亮度(照度)视角α亮度对比系数C影响因素四：识别时间在一定的条件下：亮度×时间=常数识别时间与背景亮度的关系影响因素四：识别时间明适应：由暗到亮，1-2分钟暗适应：由亮到暗，40分钟影响因素四：识别时间隧道照明中的暗适应及明适应驶入隧道——暗适应驶出隧道——明适应影响因素四：识别时间中国电影博物馆的视觉过渡空间影响因素五：眩光在视野中由于亮度分布或亮度范围（），以致引起感觉（）的视觉现象。影响因素五：眩光不舒适眩光失能眩光影响因素五：眩光依据形成形式：直接眩光：视野中存在不需要的发光体；反射眩光：视野中存在不需要的反射光。影响因素五：眩光建筑光亮外立面产生的反射眩光影响因素五：眩光控制办法直接眩光限制光源亮度：减少亮度增加眩光源的背景亮度：减少对比减小形成眩光的光源视看面积：表观面积尽可能增大眩光源的仰角反射眩光选择无光泽表面视觉作业区远离镜面反射区用发光面积大、亮度低的光源减少引起镜面反射光源的照度值在总照度中的比例关于可见度可见度的概念？可见度的影响因素：亮度物体的相对尺寸亮度对比识别时间明适应、暗适应特征眩光分类基本防治方法三者之间的关系关于可见度如何运用可见度的各影响因素，设计适用、舒适的光环境？如何在复杂的采光和照明环境中避免眩光？山西博物馆苏州博物馆洛阳博物馆5颜色一、光色的三原色三原色不能由其他色混合得到，三原色的波长如下：红：700nm，绿：546.1nm，蓝：435.8nm由RGB构成白光，亮度比为LR=LG:LB=1:4.5907:0.0601Lm/(sr·m2)加法法则红：R绿：G蓝：B粉、品红：R+B，Magenta黄：R+G，Yellow靛蓝、青：G+B，Cyan白色：R+G+B光色的三原色色光混合规律1、色光连续变化规律由两种色光组成的混合色中，如果一种色光连续变化，混合色的外貌也连续变化。2、补色律如果两种色光混合后得到白光，这两种色光称为互补色光，