Нормирование освещённости рабочих мест

Основной целью нормирования освещённости рабочих мест является обеспечение оптимальных условий зрительной работы.

Восприятие наблюдаемого объекта определяется угловым размером объекта различения, контрастом объекта различения с фоном, яркостью фона. Для заданного зрительного восприятия объектов с различными размерами различения яркость должна быть тем больше, чем меньше их угловые размеры и контрасты с фоном.

Из-за трудностей, возникающих при расчёте и измерении яркости, на практике нормирование осуществляется не по яркости, а по освещённости при одновременной регламентации коэффициента отражения фона.

В настоящее время искусственное освещение нормируется согласно СНиП 23-05-95 [1] в зависимости от характеристик зрительной работы: наименьшего размера объекта различения, фона и контраста объекта с фоном. Нормы регламентируют наименьшие допустимые уровни освещённости рабочих поверхностей (нормативные уровни – E_норм) для комбинированного и общего освещения в комбинации с показателем ослеплённости (P) и коэффициентом пульсаций освещённости (K_п).

Каждый видимый объект наблюдается на фоне каких-либо других объектов. Фон представляет собой поверхность, на которой наблюдается данный зрительный объект. Основной характеристикой фона является коэффициент отражения (r): если r < 0, 2 – фон считается тёмным; если 0, 2 < r < 0, 4 – средним; если r > 0, 4 – светлым.

Для органов зрения наиболее важной характеристикой является яркость (B) наблюдаемых зрительных объектов. Зрительное восприятие объектов также зависит от их контраста по отноше­нию к фону, на котором они наблюдаются. Различают два вида контраста: прямой контраст (объект наблюдения темнее фона, т. е. B_о < B_ф) и обратный контраст (объект наблюдения светлее фона, т. е. B_о > B_ф). Количественно величина контраста оценивается отношением разности яркостей объекта наблюдения и фона:

при B_ф > B_о, и при B_о > B_ф , (1)

где B_ф и B_о – соответственно яркость фона и объекта. Если K < 0, 2 – контраст считается малым, если 0, 2 < K < 0, 5 – средним, если K > 0, 5 – большим. Оптимальная величина контраста считается равной 0, 6 – 0, 95.

Величины прямого и обратного контрастов также могут быть выражены через коэффициенты отражения объекта и фона:

при ρ _ф > ρ _о, и при ρ _о > ρ _ф , (1΄)

Зрительная работа при прямом контрасте более благоприятна, чем работа при обратном контрасте. При равенстве яркостей фона и объекта они могут быть различимы по цветности.

В общем случае яркость объекта наблюдения определяется двумя составляющими – яркостью собственного излучения и яркостью за счёт внешней засветки (яркостью отражения):

B = B_изл + B_отр. (2)

Яркость излучения (B_изл) определяется мощностью источника света и его светоотдачей для излучающих поверхностей осветительных ламп и светильников. Для неизлучающих поверхностей – B_изл = 0. Примерные уровни яркости некоторых светящихся поверхностей, кд/м²:

Вольфрамовая нить лампы накаливания.................. 5, 5∙ 10⁶;

Поверхность колбы люминесцентной лампы................ 7∙ 10³;

Солнце в зените............................................ 10⁹;

Дисплей монитора ПЭВМ (в темноте).................... 35 – 120.

Вторая же составляющая формулы (2) определяется уровнем освещённости данной поверхности и её отражающими свойствами:

· для поверхностей с диффузным (не зеркальным) отражением

; (3)

· для поверхностей с направленным (зеркальным) отражением

B_отр = B_изл∙ ρ _з; (3΄)

· для поверхностей с направленно-рассеянным или смешанным отражением

, (3΄ ΄)

где: Е — освещённость поверхности, лк; ρ _д — коэффициент отражения поверхности с диффузным отражением; ρ _з — коэффициент отражения поверхности с зеркальным отражением (определяется степенью полированности поверхности и для ориентировочных оценок может быть принят равным в пределах 0, 9 – 0, 98); B_изл — яркостью собственного излучения поверхности (или её части) объекта наблюдения. Коэффициент диффузного отражения во многом определяется цветом поверхности (табл. 4) и показывает, какая часть падающего на поверхность светового потока отражается ею.

Таблица 4

Значения коэффициентов отражения цветных непрозрачных поверхностей

Значения коэффициентов отражения некоторых конкретных поверхностей приведены в табл. 5.

В связи с тем, что в поле зрения могут попадать объекты с различной яркостью, введено понятие адаптирующей яркости (B_а), под которой понимают ту яркость, на которую адаптирован (настроен) в данный момент время зрительный анализатор. Приближённо можно считать, что для изображений с прямым контрастом адаптирующая яркость равна яркости фона, а для изображений с обратным контрастом — яркости объекта [2]. Диапазон чувствительности зрительного анализатора очень широк: от 10^-6 до 10⁶ кд/м². Наилучшим условиям работы соответствуют уровни адаптирующей яркости в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен кд/м².

Таблица 5

Значения коэффициентов отражения некоторых поверхностей

Следует иметь в виду, что обеспечение требуемой величины контраста является только необходимым, но ещё недостаточным условием нормальной видимости объектов. Нужно также знать, как этот контраст воспринимается в данных условиях. Для его оценки зрительного восприятия объектов вводится понятие порогового контраста:

,

где DB_пор — пороговая разность яркости, т. е. минимальная разность яркостей предмета и фона, которая ещё обнаруживается глазом. Таким образом, величина К_пор определяется дифференциальным порогом различения. Для получения оптимального оперативного порога различения необходимо, чтобы фактическая величина разности яркости предмета и фона была в 10 — 15 раз больше пороговой. Это означает, что для нормальной видимости величина контраста, рассчитанная по формулам (1), должна быть больше величины К_пор в 10 – 15 раз. Таким образом, отношение величины контраста объекта наблюдения к его значению (характеристика способности глаза воспринимать объект) называют видимостью:

. (4)

Величина порогового контраста зависит от яркости фона и от угловых размеров α _об наблюдения объектов. Следует заметить, что объекты с бó льшими размерами видны при меньших контрастах и что с увеличением яркости уменьшается требуемая величина порогового контраста.

Для ориентировочной оценки величины прямого порогового контраста в работе [3] предлагается эмпирическая формула:

, (5)

где: α _об – угловой размер (измеряемый в угловых минутах) наблюдаемого объекта (см. ниже рис. 4). Функциональные коэффициенты φ ₁(α _об ) и φ ₂(α _об) зависят от углового размера наблюдаемого объекта и яркости фона:

; (5¹)

для 0, 01 ≤ B_ф ≤ 10 – k_{φ 1} = 75;

; (5²)

для B_ф > 10 – k_{φ 1} = 122;

; (5³)

k_{φ 2} = 0, 333; ξ = 3, 333; p₀ = –0, 096, p₁ = –0, 111, p₂ = 3, 55∙ 10^–3, p₃ = –4, 83∙ 10^–5, p₄ = 1, 634∙ 10^–7; q₀ = 2, 345∙ 10^–5, q₁ = –0, 034, q₂ = 1, 32∙ 10^–3, q₃ = –2, 053∙ 10^–5, q₄ = 7, 334∙ 10^–4.

Формулы (5¹) – (5³) получены в результате аппроксимации табличных значений функциональных коэффициентов φ ₁(α _об) и φ ₂(α _об), приведённых в [6].

Для оценки величины обратного порогового контраста для 1′ ≤ α _об ≤ 16′ предлагается аппроксимация другой эмпирической формулы [4]:

, (6)

где: r₀ = –0, 51, r₁ = -0, 151, r₂ = 3, 818∙ 10^–3, r₃ = –3, 94∙ 10^–5, r₄ = –1, 606∙ 10^–7, r₅ = 2, 095∙ 10^–10.

При угловых размерах наблюдаемых объектов, превышающих 16 угловых минут (α _об > 16′), можно использовать формулу [4]:

, (6′)

где K_{пор(16′)} – величина порогового контраста, рассчитанная по формуле (6) для α _об = 16′.

Связь угловых и линейных размеров наблюдаемых объектов для общего случая иллюстрируется на рис. 4, где: l_об –линейный размер наблюдаемого объекта; l_x и l_y – расстояния от точки наблюдения (расположения глаза человека) до центра наблюдаемого объекта, взятые по горизонтали и вертикали, соответственно; β _об – угол отклонения плоскости наблюдаемого объекта от горизонтали. Величины l_об, l_x, l_y и β _об определяются особенностями и организацией конкретного рабочего места. Остальные обозначенные на рис. 4 величины являются вспомогательными: l_наб – прямое расстояние от точки наблюдения до центра наблюдаемого объекта; h_наб – расстояние по нормали от точки наблюдения до плоскости наблюдаемого объекта; β _наб – угол зрения относительно плоскости наблюдаемого объекта; α ₁ и α ₂ – вспомогательные углы.

Рис. 4. Связь угловых (α) и линейных (l_о) размеров наблюдаемых объектов

Геометрия чертежа на рис. 4 определяет следующие выражения для вспомогательных величин:

; ; (7)

α _об = α ₂ – α ₁ . (9)

Большое влияние на условия видимости объектов оказывает величина внешней освещённости. Однако это влияние будет различным при работе с изображениями, имеющими прямой или обратный контраст. Увеличение освещённости при прямом контрасте приводит к улучшению условий видимости (величина К_пр увеличивается) и, наоборот, при обратном контрасте — к ухудшению видимости (величина К_об уменьшается).

При увеличении освещённости величина К_пр увеличивается, поскольку яркость фона возрастает в большей степени, чем яркость объекта (коэффициент отражения фона больше коэффициента отражения объекта). Величина К_об при этом уменьшается, т. к. яркость объекта практически не меняется (предмет светится), а яркость фона увеличивается.

Во многих случаях в поле зрения оператора могут оказаться световые сигналы с различной интенсивностью. При этом чрезмерно яркие объекты могут вызывать нежелательное состояние органов зрения – ослеплённость. Особенно сильно негативное влияние на работу органов зрения оказывают элементы с большой яркостью, в качестве которых могут выступать чрезмерно яркие части светильников (например, нить накала ламп накаливания) или других источников света – прямое действие, а также их зеркальные отражения – отражённое действие. Слепящая яркость определяется размером и яркостью светящейся поверхности, а также уровнем яркости адаптации органов зрения. Минимальные уровни яркости, которые начинают вызывать эффект ослеплённости, приближённо можно определить по эмпирической формуле [5]:

, (10)

где Ω _сп – телесный угол наблюдения оператором светящейся поверхности (в стерадианах), величину которого приближённо можно определить как отношение площади светящейся поверхности к квадрату расстояния от этой поверхности до органов зрения.

Следует иметь в виду, что фактические уровни яркости наблюдаемых объектов следует оценивать по формулам (2) и (3), а с помощью формулы (10) может быть осуществлена лишь проверка фактических уровней яркости на предмет возникновения слепящего эффекта. Для нормального восприятия яркости наблюдаемых объектов необходимо, чтобы выполнялось неравенство:

B_сп < B_{сп min}, (11)

где B_сп – яркость слепящей поверхности, определённая по формулам (2) – (3).

Таким образом, для создания оптимальных условий зрительного восприятия необходимо не только обеспечить требуемый уровень яркости и контраст воспринимаемых световых сигналов, но также исключить чрезмерную неравномерность распределения яркостей в поле зрения. В случаях, когда невозможно использовать формулу (9), можно воспользоваться данными табл. 6 или считать неравномерность распределения уровней яркости в поле зрения приемлемой, если их перепад не превышает 1 к 30 [5].

Таблица 6