楊志豪，李 蘊(yùn)，許瀛丹，陳 凱

(1.江門出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣東 江門 529000;2.江門市江粵銀通貿(mào)易有限公司，廣東 江門 529000)

引言

根據(jù)美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的研究報(bào)告，閃爍可以分為可視閃爍和非可視閃爍兩大類。因此，閃爍對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)也可以劃分為兩大類。第一類是暴露在光下數(shù)秒的瞬時(shí)作用，如誘發(fā)癲癇；第二類是長(zhǎng)時(shí)間暴露光下的不明顯的作用，如身體不適、頭痛等。第一類基本上與可視閃爍有關(guān)，典型的頻率范圍為3～70 Hz；第二類基本上與非可視閃爍有關(guān)，頻率范圍在可視頻率范圍以上。閃爍對(duì)人體生理作用的影響與閃爍特征值(主要是頻率和調(diào)制深度)、刺激特征(亮度、光譜、尺寸大小、對(duì)比度)、個(gè)體特征(眼睛的適應(yīng)能力、個(gè)體的靈敏度不同)等因素有關(guān)。

隨著LED照明應(yīng)用的普及，LED照明的閃爍問題倍受關(guān)注[1]。雖然國(guó)際上已經(jīng)發(fā)布了多項(xiàng)與閃爍測(cè)試及評(píng)估相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和方法，但它們的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，評(píng)估指標(biāo)也有很大的區(qū)別。

1 閃爍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，被大家普遍接受的閃爍評(píng)價(jià)指標(biāo)包括閃爍指數(shù)、閃爍百分比或調(diào)制深度[2]。

閃爍指數(shù)(flicker index，Iflicker)是指輸出光平均線以上的包絡(luò)區(qū)域面積與所有包絡(luò)區(qū)域面積之比，具體如圖1和式(1)所示。

(1)

圖1 閃爍指數(shù)和閃爍百分比定義Fig.1 Diagram for definition of flicker index and percent flicker

閃爍百分比(Percent Flicker，Pflicker)，也即調(diào)制百分?jǐn)?shù)(Mod%)或調(diào)制深度(Modulation Depth，Dmodulation)，定義如公式(2)所示。

(2)

式中，A為輸出光平均線上的最大值，B為輸出光平均線上的最大值。

1)IEC有關(guān)閃爍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)關(guān)于光閃爍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)屬于電磁兼容騷擾特性評(píng)價(jià)中的一部分，用來評(píng)價(jià)LED照明產(chǎn)品工作時(shí)引起的電壓波動(dòng)而導(dǎo)致其他照明產(chǎn)品因電壓波動(dòng)而出現(xiàn)的可視閃爍影響，頻率范圍為0.05～80 Hz。其中，IEC關(guān)于人對(duì)照度波動(dòng)的主觀視感進(jìn)行了大量研究，給出了敏感曲線，并設(shè)計(jì)了一套基于概率的閃爍分析方法。IEC 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中采用短時(shí)間閃變值Pst對(duì)可見光閃爍進(jìn)行評(píng)估，Pst的典型觀察時(shí)間是10 min，計(jì)算中模擬了人對(duì)光波動(dòng)的主觀視感，通過對(duì)于瞬時(shí)光閃爍視感度概率進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)該段時(shí)間內(nèi)的光閃爍嚴(yán)重程度作出評(píng)估。IEC推薦Pst=1作為限值，它表示在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件下，50%的試驗(yàn)者剛好能感覺到光閃爍現(xiàn)象[3]。

2)美國(guó)能源之星有關(guān)閃爍的內(nèi)容。美國(guó)能源之星Lamps V2.1認(rèn)證規(guī)范于2017年10月1日全面施行。相比于2.0版本，Lamps V2.1有很多的變化，其增加了LED燈頻閃的測(cè)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，特別是對(duì)可調(diào)光LED燈的頻閃性能評(píng)價(jià)提出了更為詳細(xì)的要求；對(duì)LED燈的光輸出頻率提出了明確要求，即LED燈光輸出的頻率f應(yīng)大于120 Hz；對(duì)所有標(biāo)識(shí)為可調(diào)光的燈，檢測(cè)報(bào)告中提供閃爍百分比(Pflicker)、閃爍指數(shù)(Iflicker)、光輸出周期性頻率(f)、短期閃變指數(shù)(Pst)、頻閃效應(yīng)可視化參數(shù)(SVM)、ASSIST閃爍感知度(Mp)等參數(shù)測(cè)量結(jié)果[4，5]，其中Pst、SVM和Mp是Lamps V2.1中最新提出的。

3)CIE有關(guān)閃爍的研究。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)將光輸出引起觀測(cè)者對(duì)環(huán)境的視覺感知變化稱為瞬時(shí)光反應(yīng)(Temporal light artefacts，TLAs)。在這種狀況下，人們會(huì)產(chǎn)生視覺錯(cuò)覺，如會(huì)把一些快速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備看成是緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)甚至是靜止的，這在工業(yè)生產(chǎn)中可能造成嚴(yán)重的事故。TLAs現(xiàn)象潛在的負(fù)面效應(yīng)促使相關(guān)人員尋找其測(cè)量方法，以便更好地了解該效應(yīng)對(duì)照明系統(tǒng)照明質(zhì)量的影響程度。

為了避免以往因定義不清晰而導(dǎo)致的理解混亂，CIE在2011年將閃爍(Flicker)定義為亮度或光譜分布隨時(shí)間波動(dòng)的光刺激所引起的視覺感知的不穩(wěn)定性表現(xiàn)，表明閃爍是一種感知效應(yīng)，但沒有涉及觀察者和周圍環(huán)境作用的影響。2017年CIE召開了國(guó)際閃爍協(xié)調(diào)會(huì)議，會(huì)上對(duì)光的閃爍現(xiàn)象的分類達(dá)成了共識(shí)，按照對(duì)人的影響可分成視覺感知、視覺功效和生物神經(jīng)三大類。根據(jù)CIE TN 006—2016視覺感知又可分為閃爍(Flicker)、頻閃效應(yīng)(Stroboscopic effect)、幻影效應(yīng)(Phantom array effect)。

CIE采用SVM靈敏度指數(shù)來評(píng)價(jià)頻閃效應(yīng)，頻率范圍為80～2 000 Hz[6]，并對(duì)瞬態(tài)光效應(yīng)的可見度進(jìn)行量化，即“可見度測(cè)試”，用“Mv”表示，如下：

(3)

其中Cm是第m次傅里葉部分的幅值，Tm是正弦波在第m次傅里葉部分頻率處的可見度閾值效應(yīng)，n是Minkowski標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

4)IEEE推薦的閃爍評(píng)價(jià)方法。IEEE Std 1789中關(guān)注的是閃爍作為光源設(shè)計(jì)和構(gòu)建的一個(gè)特征，提到的光都是調(diào)制光或某種程度上的閃爍，主要是由交流供電電源引起的，并描述了頻率和調(diào)制深度與推薦操作區(qū)域之間的關(guān)系，如圖2所示。為了限制閃爍在通用燈具中的生理作用，調(diào)制深度應(yīng)保障在圖2所示的陰影區(qū)域范圍內(nèi)，IEEE給出了三個(gè)推薦應(yīng)用[7]。

圖2 光調(diào)制深度和頻率與危害級(jí)別之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between Risk Level and frequency and Modulation

推薦應(yīng)用1——如果希望限制閃爍對(duì)生理的不利影響，閃爍調(diào)制百分比應(yīng)滿足以下條件：

i)f<90 Hz，調(diào)制百分比(Mod%)<0.025f；

ii)90 Hz

iii)f>1 250Hz，對(duì)調(diào)制百分比沒有要求。

推薦應(yīng)用2——如果希望限制閃爍在不可見等級(jí)(NOEL)內(nèi)，閃爍調(diào)制百分比應(yīng)除以2.5，才能滿足推薦應(yīng)用1中的限制閃爍對(duì)生理的影響：

i)f<90 Hz，調(diào)制百分比(Mod%)<0.01f；

ii)90 Hz

iii)f>3 000 Hz，對(duì)調(diào)制百分比沒有要求。

推薦應(yīng)用3(預(yù)防措施)——對(duì)任何光源，使用在任何條件下，閃爍調(diào)制百分比應(yīng)滿足：

f<90 Hz，調(diào)制百分比(Mod%)<5%。

5)中國(guó)有關(guān)閃爍的標(biāo)準(zhǔn)。GB 17625.2《電磁兼容 限值 對(duì)每相額定電流≤16 A且無條件接入的設(shè)備在公用低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓變化、電壓波動(dòng)和閃爍的限制》中，用照明產(chǎn)品供電電源輸入端的短期閃變指數(shù)Pst對(duì)可見閃爍進(jìn)行評(píng)估，Pst的典型觀察時(shí)間是10 min，模擬了人對(duì)光波動(dòng)的主觀視感，通過對(duì)瞬時(shí)閃爍視感度概率進(jìn)行分析計(jì)算來評(píng)估該段時(shí)間內(nèi)的光閃爍嚴(yán)重程度。GB/T 31831《LED室內(nèi)照明應(yīng)用技術(shù)要求》中引用了光輸出的波動(dòng)深度(FPF)限值來評(píng)價(jià)閃爍。

2 閃爍的測(cè)量方法

目前，對(duì)LED照明閃爍的研究基本上建立在對(duì)光輸出的波動(dòng)之上。固態(tài)照明系統(tǒng)及技術(shù)聯(lián)盟(ASSIST)推薦了一種光閃爍的感知評(píng)估方法[8]，如圖3所示。采用高分辨率、高采樣頻率的超快速光度探頭和快速數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明產(chǎn)品的閃爍頻率、閃爍指數(shù)、閃爍百分比、光波動(dòng)深度等的參數(shù)的測(cè)量。

圖3 閃爍光度波形捕獲和計(jì)算方法Fig.3 Measure the light waveform and compute the flicker metric

1)捕獲光輸出波形。光輸出波形精確地反映光輸出與時(shí)間的關(guān)系。這里需要用到一個(gè)示波器，一般的示波器是8位的，可以使閃爍閾值的靈敏度在0.5%以內(nèi)。

ASSIST推薦的最小采樣頻率為2 000 Hz。數(shù)字信號(hào)分析理論中要求最低的采樣頻率至少為波形周期頻率的2倍。大部分的光閃爍頻率為電源頻率的2倍，大約100 Hz，即最小采樣頻率應(yīng)該為200 Hz，但實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值，所以建議波形捕獲采樣系數(shù)最小為10，最小采樣頻率應(yīng)達(dá)到2 000 Hz。

ASSIST推薦的最小采樣記錄時(shí)長(zhǎng)為2 s。更長(zhǎng)的記錄時(shí)間可以更好地反映光輸出在時(shí)間上的變化，尤其對(duì)于光輸出不穩(wěn)定的波形，所以建議記錄時(shí)間為10 s。

2)傅里葉變換。光輸出波形數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入離散傅里葉轉(zhuǎn)換模塊。離散傅里葉變換的定義如下：

(4)

式中Xn為采樣數(shù)據(jù)；N為采樣次數(shù)；k代表沒有個(gè)傅里葉級(jí)數(shù)的頻率整數(shù)；周期頻率f=kS/N；S為采樣頻率；Xk是傅里葉級(jí)數(shù)的幅值。

(5)

其中Re(Xk)和Im(Xk)是傅里葉級(jí)數(shù)的實(shí)部和虛部。

3)韋伯瞬態(tài)常量計(jì)算。韋伯瞬態(tài)常量是用光輸出傅里葉各組成分量的幅值來表示調(diào)制比，用M表示。

(6)

其中Ak為光輸出傅里葉各組成分量的幅值。A0為光輸波形的DC部分，即基波部分。對(duì)于單頻率波形(如正弦波)，光輸出的調(diào)制比等于閃爍百分比乘上100%。

4)人體感知靈敏度加權(quán)計(jì)算。用單個(gè)頻率的韋伯瞬態(tài)常量與該頻率上的人體觀測(cè)閾值的比定義為人體的感知靈敏度，如下：

(7)

其中MDTHk為單個(gè)頻率上的人體觀測(cè)閾值。MPk為1，表示有50%的人體對(duì)該頻率的閃爍有感知；當(dāng)MPk小于1時(shí)，閃爍是不能觀測(cè)到；MPk大于1時(shí)，閃爍是容易被觀測(cè)到的。

5)聯(lián)合頻率部分。聯(lián)合頻率部分(combine frequency components)是各頻率分量(基本部分除外)上的人體感知靈敏度的平方加權(quán)和的二次開根號(hào)值。

(8)

Mp等于1，表示有50%的人體對(duì)該頻率的閃爍有感知；當(dāng)MP值小于1時(shí)，閃爍是不能觀測(cè)到；當(dāng)MP大于1時(shí)，閃爍是容易被觀測(cè)到的。

3 結(jié)束語(yǔ)

IEC僅在照明產(chǎn)品交流電源輸入端給出了輸入電流諧波閃爍的指標(biāo)及測(cè)量方法，該方法已被廣泛應(yīng)用在LED照明產(chǎn)品的電磁兼容認(rèn)證上。IEEE給出了輸出光調(diào)制深度和頻率與閃爍危害等級(jí)之間的關(guān)系，并根據(jù)不同的應(yīng)用等級(jí)給出了三種應(yīng)用推薦閾值。美國(guó)能源之星和CIE在光調(diào)制深度、調(diào)制頻率和閃爍指數(shù)等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)人體對(duì)閃爍的視覺感知效應(yīng)，引入了新的閃爍效應(yīng)可視化參數(shù)和閃爍感知度等參數(shù)，從時(shí)域上和頻域范圍內(nèi)加強(qiáng)對(duì)閃爍效應(yīng)的研究，但頻域指標(biāo)的測(cè)量方法復(fù)雜，受測(cè)量技術(shù)的影響，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度很難保障，測(cè)量的成本也很高。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一方面采用了IEC對(duì)交流電源輸入端，輸入電流諧波閃爍的測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)要求，另一方面對(duì)室內(nèi)照明用LED燈光輸出的波動(dòng)深度和波動(dòng)頻率給出了詳細(xì)的要求，要求波動(dòng)深度的最低限值應(yīng)小于0.288%[9]，比IEEE給出的限值要求寬松些。

LED照明產(chǎn)品的閃爍問題與人體的健康安全密切相關(guān)，但目前CIE、IEC、ASSIST等對(duì)閃爍的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法不盡相同。通過對(duì)LED照明閃爍評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法的梳理，我們分析了不同評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法的特點(diǎn)，供大家參考。