韓 帥，唐 宇，李 坤，陳壬賢，周小麗，包熙鴻，劉木清

(1.國網(wǎng)北京電科院，北京 100075;2.國網(wǎng)北京市城市照明管理中心，北京 100078;3.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

引言

無論是道路照明還是其它視覺環(huán)境，在研究目標(biāo)物可見度的時(shí)候，都假定是在理想條件下進(jìn)行的，即眼睛與目標(biāo)之間的氣態(tài)介質(zhì) (空氣)是干燥、潔凈的，光能的衰減可被忽略不計(jì)。但實(shí)際上，各類室外照明設(shè)施在不同氣象條件下，特別是霧霾等惡劣天氣，實(shí)際產(chǎn)生的照度值可能遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值。為確保實(shí)際照明效果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們有必要開展惡劣氣象條件對(duì)照明效果影響的相關(guān)研究。

近幾年，霧霾天氣多發(fā)，其可被視為特殊的大氣氣溶膠［1－3］。光源在惡劣天氣中的光輸出性能衰減，很大一部分就來自大氣氣溶膠的消光作用。對(duì)大氣氣溶膠的研究集中在在光學(xué)工程和氣象學(xué)兩個(gè)方面。光學(xué)工程主要研究大氣氣溶膠對(duì)單色光 (如激光)的吸收現(xiàn)象;氣象學(xué)主要研究大氣氣溶膠對(duì)自然光 (如陽光)的吸收、散射現(xiàn)象以及能見度判定［4－5］。目前，涉及定量測(cè)定氣溶膠光吸收問題的論文很多，但報(bào)告的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)少，且缺乏系統(tǒng)性。在照明領(lǐng)域，有現(xiàn)實(shí)意義的是電光源在大氣氣溶膠中的透射性質(zhì)。但現(xiàn)有研究多不適用于道路照明特殊光源，如激光;對(duì)電光源，特別是光譜復(fù)雜的氣體放電光源和LED光源，沒有直接指導(dǎo)意義。對(duì)于光源透霧性實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn) ［6］選用小功率LED進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并只選用了幾種彩色LED;文獻(xiàn) ［7］對(duì)霧燈穿透能力最佳的波長(zhǎng)進(jìn)行了研究，比較了相同傳播距離下，光信號(hào)在薄霧、中霧、濃霧中的傳播情況，發(fā)現(xiàn)LED在用作霧燈時(shí)的最佳波長(zhǎng)為578 nm，但常用戶外燈具大多采用復(fù)合光。本文選用不同色溫不同波長(zhǎng)的LED光源及金鹵燈、鈉燈等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析，同時(shí)還對(duì)透霾性進(jìn)行研究。

1 霧霾實(shí)驗(yàn)裝置的建立

1.1 均勻霧霾場(chǎng)的模擬

大自然中霧的形成要求空氣中有豐富的水汽，并且暖氣流降溫劇烈或流經(jīng)冷表面。相應(yīng)的指標(biāo)為較高的相對(duì)濕度，適宜的溫度和適當(dāng)?shù)娘L(fēng)力條件。在我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中，要求霧是均勻，穩(wěn)定，可控的。本文用超聲波加濕器噴出的霧狀水氣來模擬霧。超聲波加濕器使用超聲波 (1.7MHz)使霧化片發(fā)生高頻諧振，將水拋離水面，產(chǎn)生直徑5μm的細(xì)小水滴。自然界中存在的霧，粒子直徑在4～10μm之間，兩者吻合。同時(shí)，該加濕器附有風(fēng)動(dòng)裝置以利于水霧擴(kuò)散，可得到均勻穩(wěn)定的霧場(chǎng)。利用加濕器的不同檔位，就可以調(diào)節(jié)霧濃度的大小。

霾也稱灰霾，是空氣中灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏确撬晌锝M成的氣溶膠系統(tǒng)。霾粒子直徑多在0.001～10μm之間。霾與霧的區(qū)別在于發(fā)生霾時(shí)的相對(duì)濕度不大，而霧中的相對(duì)濕度是飽和的［8］。對(duì)于霾的模擬，本文采用鼓風(fēng)機(jī)將草木灰吹入暗箱來實(shí)現(xiàn)，控制吹入的灰塵量，可以改變霾濃度。

圖1 霧霾模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hazy simulation device

模擬霧霾的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。為排除外界干擾，本實(shí)驗(yàn)須在全黑環(huán)境下進(jìn)行。本文采用了一個(gè)4.2m×1.2m×1.2m(長(zhǎng)×寬×高)的大型暗箱。暗箱底板由兩塊木板拼接而成，支架為木結(jié)構(gòu)，表面貼有黑色塑料板，木板裸露處涂有黑漆。暗箱末端設(shè)有支架以固定光源，支架兩側(cè)開孔接入加濕器噴頭和電源。暗箱距光源1m，2m，3m處開有插槽。每條插槽配有長(zhǎng)短插板各一塊。插入短板僅能封閉插槽;插入長(zhǎng)板可將暗箱分隔為兩個(gè)獨(dú)立空間，這樣改變長(zhǎng)隔板的位置，可以測(cè)試不同距離處的照度值。長(zhǎng)板中央開孔以插入照度計(jì)探頭;箱內(nèi)對(duì)應(yīng)地點(diǎn)設(shè)有導(dǎo)軌以確保探頭位置固定。

1.2 霧霾濃度等級(jí)的確定

在用空調(diào)穩(wěn)定室內(nèi)溫度和風(fēng)力的條件下，初始濕度相同。設(shè)定霧或霾的濃度后，當(dāng)光源穩(wěn)定時(shí)，監(jiān)測(cè)照度值，如果照度值穩(wěn)定就認(rèn)為箱內(nèi)霧霾達(dá)到了均勻狀態(tài)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。記錄數(shù)據(jù)前關(guān)掉加濕器或者鼓風(fēng)機(jī)，避免氣流流動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響。以霧場(chǎng)為例，將加濕器調(diào)節(jié)旋鈕處于同一位置時(shí)，用加濕器對(duì)暗箱加濕，對(duì)40W白熾燈進(jìn)行了多次測(cè)試，在1m觀測(cè)點(diǎn)處的照度值檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 白熾燈實(shí)驗(yàn)的結(jié)果Table 1 Results for incandescent lamp

計(jì)算可得平均值Eavg=280.2lx，標(biāo)準(zhǔn)差S=1.54lx，S/Eavg≈0.5%。可以看出，在加濕器檔位固定后，穩(wěn)定一段時(shí)間，可以得到一個(gè)比較均勻的霧場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，我們將霧濃度分為1～3三檔，并在旋鈕對(duì)應(yīng)位置劃刻度以作標(biāo)記。未開加濕器的狀態(tài)定義為0檔，1～3檔霧濃度逐漸增大。對(duì)于霾濃度的確定，通過改變吹入灰塵的量進(jìn)行分級(jí)，本文共測(cè)試了兩種不同的霾濃度，0檔為無霾，1～2檔霾濃度逐漸增大。

1.3 實(shí)驗(yàn)燈具

本文選用不同色溫不同顏色的LED燈具及白熾燈、金鹵燈和高壓鈉燈分別進(jìn)行測(cè)試，相關(guān)燈具信息見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)燈具參數(shù)Table 2 Parameters of the experiment lamps

2 不同霧濃度下光源的透過性

將暗箱置于通風(fēng)狀態(tài)，打開空調(diào) (設(shè)置為20℃，一檔風(fēng)速)?？照{(diào)運(yùn)行20分鐘后，將光源放入暗箱，連接電源。本文選取距離光源2m處進(jìn)行照度測(cè)試，在2m插槽處插入長(zhǎng)板，用短板封閉其他插槽。將照度計(jì)探頭插入長(zhǎng)板中心孔內(nèi)。將加濕器噴嘴對(duì)準(zhǔn)通氣孔。打開電源，打開照度計(jì)，穩(wěn)定30分鐘后記錄照度計(jì)示數(shù)。打開加濕器，調(diào)至第一檔位，加濕至照度計(jì)示數(shù)不再變化為止，記錄此時(shí)照度計(jì)的示數(shù)。改變加濕器的檔位，重復(fù)上述步驟。完成后，取下光源，擦干暗箱內(nèi)的積水，通風(fēng)20分鐘后。對(duì)其他光源進(jìn)行測(cè)量。待測(cè)所有光源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。檔位0為無霧時(shí)的照度值，1，2，3檔為霧濃度逐漸增大測(cè)得的照度值，不同霧濃度下的透射率定義為該霧濃度下照度值與無霧情況下的照度的比值。即T=E/E0，T為透射率，E為有霧時(shí)的照度值，E0為無霧時(shí)的照度值。

圖2為各種光源在不同霧濃度下的照度變化。可以看出，隨著霧濃度的增加，各種光源的透霧性都呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì)。

當(dāng)霧濃度最大時(shí) (濕度超過90%)，對(duì)比各種光源的透霧能力，結(jié)果如圖3所示。

表3 不同霧濃度下光源的透過率Table 3 Transmittance of light sources under different thickness of fog

圖2 各種常見光源透霧率趨勢(shì)Fig.2 Transmittance of different light sources

圖3 同一霧濃度下不同光源的透過率Fig.3 Transmittance of different lamps in the same thickness of fog

在所有光源中白熾燈透霧能力最強(qiáng)。從圖3可以看出，對(duì)于不同波長(zhǎng)LED，透霧能力的次序?yàn)?黃光＞綠光＞藍(lán)光＞紅光。對(duì)于不同色溫的白光LED，色溫為3200K的樣品透霧性最佳。進(jìn)一步分析不同波長(zhǎng)LED燈的透霧性能力，結(jié)果如圖4所示。隨著波長(zhǎng)的增加，其透霧能力先增加后減少，存在最佳波長(zhǎng)，使其透霧率最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示為黃光，這與黃光透霧性最好的普遍認(rèn)識(shí)相一致。單色輻射在大氣中的透過率主要取決于兩個(gè)因素:大氣的吸收以及大氣的散射。因此，單色光在霧中的透射率也主要取決于霧氣的吸收以及霧氣的散射。

圖4 LED光源的透霧性比較Fig.4 Transmittance of LEDs under fog

參考光學(xué)手冊(cè)可知不同介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收是不一樣的，我們用加濕器來造霧，因此霧的成分主要是水汽。而水汽對(duì)不同顏色光的吸收有著這樣一個(gè)規(guī)律:波長(zhǎng)越長(zhǎng)，吸收越多。而光的散射主要有瑞利散射和米氏散射。瑞利散射研究的是線度遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的微粒的散射現(xiàn)象。米氏散射主要研究微粒線度大于光波長(zhǎng)的微粒的散射。瑞利散射中散射光強(qiáng)度與入射波長(zhǎng)的4次方成反比，即波長(zhǎng)越短散射系數(shù)越大，即衰減系數(shù)越大，透過率越低。米氏散射中散射光強(qiáng)幾乎與波長(zhǎng)無關(guān)。因此，綜合吸收以及散射兩個(gè)因素考慮，存在這樣一個(gè)波長(zhǎng)使得吸收以及散射的總和最小，從而使得透過率最高。而我們實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是黃光波段的透射率最好，這也與文獻(xiàn) ［7］的結(jié)果吻合。

3 不同霾濃度下光源的透過性

測(cè)定方法與測(cè)定不同霧濃度下光源透過性的方法基本相同，不同點(diǎn)是將鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)通氣孔，用量杯量取灰塵放在箱子內(nèi)出風(fēng)口處，改變吹入的灰塵量調(diào)節(jié)不同的霾濃度。本文測(cè)量了兩種不同濃度的霾，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。0檔為無霾的數(shù)據(jù)，1、2檔為有霾的數(shù)據(jù)。不同霾濃度下的透射率定義為該濃度下照度值與無霾情況下照度的比值。

各種光源在不同霾濃度下的透過率變化趨勢(shì)如圖5所示，在同一霾濃度下 (2檔)各光源的透過率對(duì)比如圖6所示。

從圖5和圖6可以得出以下結(jié)論。

(1)隨著霾濃度的提高，所有光源的透過性都有所下降。

表4 不同霾濃度下光源照度值Table 4 Illumination values in different thickness of haze

圖5 不同霾濃度下光源的照度Fig.5 Illumination value of light sources in different thickness of haze

圖6 同一霾濃度下不同光源的透過率Fig.6 Transmittance of various lamps in the same thickness of haze

(2)不同光源透霾能力不同，他們的透過率大小為:LED燈＞金鹵燈＞白熾燈＞鈉燈。LED燈具透霾的能力最強(qiáng)。

(3)對(duì)于白光LED，色溫越高，透霾的能力越強(qiáng)。

(4)在霾濃度較大時(shí)，不同顏色LED等透霾能力依次為:黃光＞紅光＞綠光＞藍(lán)光。

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)室模擬產(chǎn)生了均勻的霧霾實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別對(duì)白熾燈、金鹵燈、鈉燈及不同色溫不同顏色的LED燈具進(jìn)行了透霧和透霾的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:不同種類不同顏色光源的透霧和透霾能力不同。

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