張怡妮，賀曉陽(yáng)，鄒念育，程 敏，何啟鵬

(1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116000；2. 中認(rèn)尚動(dòng)(上海)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200233；3.貴州省光技術(shù)聯(lián)合與創(chuàng)新服務(wù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550000)

引言

教室是教師與學(xué)生活動(dòng)的重要場(chǎng)所之一。教室照明質(zhì)量對(duì)教師和學(xué)生的生理、心理上都有一定的影響，黑板照度及均勻度優(yōu)劣影響著教師授課和學(xué)生聽課的效果，黑板照度不均勻或黑板燈安裝位置錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致眩光產(chǎn)生。教室照明已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中小學(xué)生教室和黑板的照度、均勻度等提出了要求。在GB/T 36876—2018《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計(jì)安裝衛(wèi)生要求》中規(guī)定教室黑板面的維持平均照度不應(yīng)低于500 lx，照度均勻度不應(yīng)低于0.8[1]。但是從現(xiàn)有黑板燈的配光結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)照明檢測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，黑板照明還普遍存在問(wèn)題，尤其是對(duì)教師產(chǎn)生的直接眩光的問(wèn)題。這些問(wèn)題部分是教室內(nèi)部設(shè)施等客觀因素導(dǎo)致的，但更多的是燈具本身設(shè)計(jì)和安裝的不合理性造成的。在實(shí)際設(shè)計(jì)安裝過(guò)程中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)黑板燈的安裝位置進(jìn)行合理的規(guī)定，本文通過(guò)探究黑板燈的安裝位置對(duì)教師的眩光干擾，提出黑板燈的安裝位置限制關(guān)系式，以便更好地優(yōu)化教室中黑板照明效果。

1 黑板燈安裝位置對(duì)師生的眩光影響分析

眩光是一種由于視野中的亮度分布不適當(dāng)或亮度變化幅度過(guò)大，以致引起不舒適感或降低觀察物體能力[2]，具體表現(xiàn)在：當(dāng)光源或反光面射來(lái)極高的亮度的光線，或者視野中心與背景亮度產(chǎn)生較大亮度差，這種亮度差會(huì)使人的視覺(jué)機(jī)能降低并且產(chǎn)生不舒適感。

人眼視野指當(dāng)頭部不動(dòng)時(shí)，眼睛直視正前方某一點(diǎn)時(shí)，所能看見的空間范圍。受眉毛和面頰的影響，單眼的垂直方向視角極限為130°，其中水平面上方為60°，水平面下方為70°[3]。從人眼的垂直視覺(jué)區(qū)域來(lái)看，如圖1所示，人眼上方垂直視野區(qū)域?yàn)樗酵系脚c標(biāo)準(zhǔn)視線夾角60°的區(qū)域，而容易產(chǎn)生直接眩光的區(qū)域?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)視線夾角5°～45°的區(qū)域范圍內(nèi)[4]。

圖1 人眼的垂直視野與直接眩光區(qū)Fig.1 Vertical view and direct glare area of human eye

黑板照明是影響課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，良好的黑板照明應(yīng)滿足以下三點(diǎn)要求：①有良好的照度均勻度，避免學(xué)生受到眩光干擾；②達(dá)到足夠的照度，使學(xué)生能清楚的看見黑板上的字；③避免黑板燈產(chǎn)生的光對(duì)教師產(chǎn)生不舒適眩光。

通過(guò)對(duì)部分地區(qū)學(xué)校教室照明現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)教室照明環(huán)境中黑板照明的維持平均照度及照度均勻度仍存在嚴(yán)重的不合格現(xiàn)象。老師反饋黑板燈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的直接眩光，造成老師在上課時(shí)眼睛很不舒適。為了避免嚴(yán)重的干擾眩光，老師會(huì)通過(guò)調(diào)整黑板燈原始的安裝角度來(lái)減少直接眩光，從而導(dǎo)致黑板燈的照度和照度均勻度發(fā)生改變，達(dá)不到當(dāng)前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

結(jié)合以上具體情況，黑板燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)和安裝是優(yōu)化黑板照明的主要研究參數(shù)。盡可能地實(shí)現(xiàn)窄光束配光[5]，使得黑板燈的安裝距離盡可能的靠近黑板，在實(shí)現(xiàn)黑板照度及照度均勻度要求的同時(shí)，減少對(duì)老師的干擾眩光。依據(jù)黑板、黑板燈與教師的位置關(guān)系，可畫出位置示意圖，如圖2所示。

圖2 黑板燈安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of installation of blackboard lamp

圖2中m為燈具出光后邊緣與黑板面的水平距離，n為燈具出光下邊緣到黑板上邊緣的垂直距離，h為黑板下邊緣離講臺(tái)面的垂直距離，θ為燈具出光下邊緣點(diǎn)同人眼連線與水平線的夾角。如圖3所示，當(dāng)黑板燈距離黑板越近或者黑板燈離黑板上邊緣的距離越大，即角度θ>45°時(shí)，就可以避開直接眩光區(qū)，從而減小直接眩光對(duì)老師的干擾。

圖3 黑板燈與人眼位置關(guān)系Fig.3 Relationship between blackboard lamp and human eye position

由于教師眼睛在水平方向上會(huì)動(dòng)態(tài)變化，將教師眼睛視覺(jué)點(diǎn)定于黑板面上(最極端情況)，并將眼睛、黑板燈與黑板簡(jiǎn)化為點(diǎn)與線段，圖4可視作教室的左視圖，以墻角為原點(diǎn)，將天花板和黑板所在墻壁作為x軸和y軸，P(m，a)為動(dòng)點(diǎn)。F點(diǎn)為教師眼睛位置，D為地面(或講臺(tái)的上邊緣)，θ為黑板燈邊緣光線與人眼的夾角，A點(diǎn)為黑板上邊緣，B點(diǎn)為黑板下邊緣，P點(diǎn)滿足以下約束條件：

圖4 位置關(guān)系簡(jiǎn)化圖Fig.4 Simplified position diagram

0

(1)

0

(2)

在P點(diǎn)所在△PGF中，滿足：

(3)

由于人眼容易產(chǎn)生直接眩光的區(qū)域在水平視角以上的5°～45°，再結(jié)合黑板燈的實(shí)際安裝情況，θ需滿足以下要求

(4)

《2014年國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)公報(bào)》[6]中顯示，20～24歲成年人平均身高在所有年齡段中最高，為171.9 cm?？紤]最不利狀態(tài)時(shí)，即黑板燈照射到黑板下邊緣的光線恰好不進(jìn)入人眼，則

DF<172

(5)

設(shè)BD=h，GA=n，AB=w，則

GF=GA+AB+BD-DF

(6)

聯(lián)立式(1)～式(6)，可得

m

(7)

由于不同教室中黑板的尺寸和安裝高度不完全一樣，因此在黑板燈配光設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)教室的現(xiàn)狀區(qū)別對(duì)待，同時(shí)也要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行安裝。當(dāng)黑板燈的安裝距離滿足式(7)時(shí)，老師眼睛不受直接眩光影響或者受到的眩光影響相對(duì)會(huì)有所減少。

2 模擬仿真計(jì)算結(jié)果分析與討論

根據(jù)GB 7793—2010《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)黑板照明和教室照明的要求和GB/T 36876—2018《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計(jì)安裝衛(wèi)生要求》中對(duì)黑板燈具安裝距離的要求[7]，中小學(xué)標(biāo)準(zhǔn)教室長(zhǎng)為9.0 m、寬為7.2 m、高為3.5 m，黑板長(zhǎng)度和寬度大多為400 cm×120 cm，距離地面高度為100 cm，因此在w和h的選取中，選擇w=120，h=100。在黑板燈的安裝位置的選擇上，選擇n=20,即黑板燈安裝高度為距離黑板上邊緣20 cm[8]；與黑板面的水平距離分別選擇m=55、60、70、80，將w、h、n代入式(7)，則m<68時(shí)，教師不受黑板燈的眩光干擾。

下面對(duì)式(7)的閾值與正確性進(jìn)行探討。所選擇黑板燈的配光曲線如圖5所示，以m=55、n=20為例，教室燈光模擬圖如圖6所示。

圖5 黑板燈配光曲線Fig.5 Light distribution curve of blackboard lamp

圖6 教室光環(huán)境模擬分析圖Fig.6 Simulation map of light environment in classroom

DIAlux模擬后黑板面的平均照度為697 lx，照度均勻度為0.81；教室0.75 m的工作面平均照度為473 lx，照度均勻度為0.82；黑板及教室的點(diǎn)照度圖如圖7、圖8所示。

圖7 黑板面的各點(diǎn)照度圖Fig.7 Illumination of dots on black panel

圖8 教室工作面的各點(diǎn)照度圖Fig.8 Illumination map of each point at the classroom face

在教室的工作面照度及均勻度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、黑板照度、均勻度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)教師的眩光進(jìn)行DIAlux模擬分析計(jì)算，在距離黑板15～50 cm處分別設(shè)置高度為145～180 cm的UGR觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)在水平方向上設(shè)置若干UGR計(jì)算點(diǎn)，模擬不同身高的教師在黑板前移動(dòng)時(shí)，眼睛產(chǎn)生的眩光影響，UGR計(jì)算點(diǎn)列表如表1所示。

表1 黑板燈在m=0.55、n=0.2安裝位置下的UGR計(jì)算點(diǎn)列表

在模擬中，黑板燈安裝位置為距離黑板上邊緣20 cm，距離黑板面55 cm，滿足式(7)，在教師眼睛位置處設(shè)置若干UGR測(cè)量點(diǎn)并取平均值，將若UGR值大于19，則視為有眩光影響。結(jié)果顯示，在教師眼睛距離黑板15 cm處時(shí)，身高155 cm及以上的教師受眩光影響較為嚴(yán)重；在教師眼睛距離黑板20 cm時(shí)，身高165 cm及以上的教師受眩光影響較為嚴(yán)重；在教師眼睛距離黑板25 cm處時(shí)，身高175 cm及以上的教師受眩光影響較為嚴(yán)重；而當(dāng)教師活動(dòng)范圍在離黑板30～50 cm處時(shí)，不受眩光的影響。在15 cm處教師受眩光影響嚴(yán)重，而考慮到人眼位于頭部最前端，距離黑板15 cm屬于教師頭貼著黑板，眼睛離黑板距離最近的極限狀態(tài)，在授課情況下，這種情形發(fā)生及其少；因此這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于教師眼睛的眩光控制是比較合理的。

在上述設(shè)計(jì)案的基礎(chǔ)上改變黑板燈的距離，在黑板面和教室工作面的照度及均勻度等達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提上，討論黑板燈垂直方向離黑板上邊緣20 cm，水平方向上距離黑板面60 cm、70 cm、80 cm處的安裝位置上，人眼在不同垂直高度與不同位置所受的UGR值，如表2～表4所示。

表2 黑板燈在m=0.6，n=0.2安裝位置下的UGR計(jì)算點(diǎn)

表3 黑板燈在m=0.7，n=0.2安裝位置下的UGR計(jì)算點(diǎn)

表4 黑板燈在m=0.8，n=0.2安裝位置下的UGR計(jì)算點(diǎn)

由表1～表4得知，在n=20時(shí)，m=0.55、0.6滿足式(7)，教師活動(dòng)范圍在離黑板30 cm及以外則不受黑板燈的眩光影響；而當(dāng)m=0.7、0.8不滿足式(7)時(shí)，教師受眩光影響較為嚴(yán)重。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)眩光和人眼舒適度的視角進(jìn)行闡述，結(jié)合黑板燈安裝位置對(duì)教師眼睛的眩光影響進(jìn)行了探討，分析得出了黑板燈安裝位置和黑板尺寸以及黑板距離講臺(tái)高度的函數(shù)關(guān)系。在給定的教室環(huán)境中，測(cè)量出黑板寬度和黑板下邊緣離講臺(tái)的高度后，即可通過(guò)公式推算出黑板燈的最佳安裝位置范圍，從而避免教師授課過(guò)程中造受黑板燈的眩光干擾，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬的結(jié)果也對(duì)理論進(jìn)行了有力的論證，對(duì)黑板燈的安裝和黑板燈設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)作用，同時(shí)為良好的教室光環(huán)境設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化的方向。