模擬霧霾條件下光源的透過性實驗研究

韓 帥，唐 宇，李 坤，陳壬賢，周小麗，包熙鴻，劉木清

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

引言

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

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。對大氣氣溶膠的研究集中在在光學工程和氣象學兩個方面。光學工程主要研究大氣氣溶膠對單色光 (如激光)的吸收現象;氣象學主要研究大氣氣溶膠對自然光 (如陽光)的吸收、散射現象以及能見度判定［4－5］。目前，涉及定量測定氣溶膠光吸收問題的論文很多，但報告的實驗數據少，且缺乏系統性。在照明領域，有現實意義的是電光源在大氣氣溶膠中的透射性質。但現有研究多不適用于道路照明特殊光源，如激光;對電光源，特別是光譜復雜的氣體放電光源和LED光源，沒有直接指導意義。對于光源透霧性實驗，文獻 ［6］選用小功率LED進行實驗，并只選用了幾種彩色LED;文獻 ［7］對霧燈穿透能力最佳的波長進行了研究，比較了相同傳播距離下，光信號在薄霧、中霧、濃霧中的傳播情況，發(fā)現LED在用作霧燈時的最佳波長為578 nm，但常用戶外燈具大多采用復合光。本文選用不同色溫不同波長的LED光源及金鹵燈、鈉燈等進行實驗，并對實驗結果進行了系統分析，同時還對透霾性進行研究。

1 霧霾實驗裝置的建立

1.1 均勻霧霾場的模擬

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冷表面。相應的指標為較高的相對濕度，適宜的溫度和適當的風力條件。在我們設計的實驗中，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，產生直徑5μm的細小水滴。自然界中存在的霧，粒子直徑在4～10μm之間，兩者吻合。同時，該加濕器附有風動裝置以利于水霧擴散，可得到均勻穩(wěn)定的霧場。利用加濕器的不同檔位，就可以調節(jié)霧濃度的大小。

霾也稱灰霾，是空氣中灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等非水成物組成的氣溶膠系統。霾粒子直徑多在0.001～10μm之間。霾與霧的區(qū)別在于發(fā)生霾時的相對濕度不大，而霧中的相對濕度是飽和的［8］。對于霾的模擬，本文采用鼓風機將草木灰吹入暗箱來實現，控制吹入的灰塵量，可以改變霾濃度。

圖1 霧霾模擬裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of hazy simulation device

模擬霧霾的實驗裝置示意圖如圖1所示。為排除外界干擾，本實驗須在全黑環(huán)境下進行。本文采用了一個4.2m×1.2m×1.2m(長×寬×高)的大型暗箱。暗箱底板由兩塊木板拼接而成，支架為木結構，表面貼有黑色塑料板，木板裸露處涂有黑漆。暗箱末端設有支架以固定光源，支架兩側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。每條插槽配有長短插板各一塊。插入短板僅能封閉插槽;插入長板可將暗箱分隔為兩個獨立空間，這樣改變長隔板的位置，可以測試不同距離處的照度值。長板中央開孔以插入照度計探頭;箱內對應地點設有導軌以確保探頭位置固定。

1.2 霧霾濃度等級的確定

在用空調穩(wěn)定室內溫度和風力的條件下，初始濕度相同。設定霧或霾的濃度后，當光源穩(wěn)定時，監(jiān)測照度值，如果照度值穩(wěn)定就認為箱內霧霾達到了均勻狀態(tài)，可以進行數據記錄。記錄數據前關掉加濕器或者鼓風機，避免氣流流動對結果的影響。以霧場為例，將加濕器調節(jié)旋鈕處于同一位置時，用加濕器對暗箱加濕，對40W白熾燈進行了多次測試，在1m觀測點處的照度值檢測數據見表1。

表1 白熾燈實驗的結果Table 1 Results for incandescent lamp

計算可得平均值Eavg=280.2lx，標準差S=1.54lx，S/Eavg≈0.5%?？梢钥闯?，在加濕器檔位固定后，穩(wěn)定一段時間，可以得到一個比較均勻的霧場。在此基礎上，我們將霧濃度分為1～3三檔，并在旋鈕對應位置劃刻度以作標記。未開加濕器的狀態(tài)定義為0檔，1～3檔霧濃度逐漸增大。對于霾濃度的確定，通過改變吹入灰塵的量進行分級，本文共測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 實驗燈具

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行測試，相關燈具信息見表2。

表2 實驗燈具參數Table 2 Parameters of the experiment lamps

2 不同霧濃度下光源的透過性

將暗箱置于通風狀態(tài)，打開空調 (設置為20℃，一檔風速)。空調運行20分鐘后，將光源放入暗箱，連接電源。本文選取距離光源2m處進行照度測試，在2m插槽處插入長板，用短板封閉其他插槽。將照度計探頭插入長板中心孔內。將加濕器噴嘴對準通氣孔。打開電源，打開照度計，穩(wěn)定30分鐘后記錄照度計示數。打開加濕器，調至第一檔位，加濕至照度計示數不再變化為止，記錄此時照度計的示數。改變加濕器的檔位，重復上述步驟。完成后，取下光源，擦干暗箱內的積水，通風20分鐘后。對其他光源進行測量。待測所有光源的實驗數據如表3所示。檔位0為無霧時的照度值，1，2，3檔為霧濃度逐漸增大測得的照度值，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為有霧時的照度值，E0為無霧時的照度值。

圖2為各種光源在不同霧濃度下的照度變化?？梢钥闯?，隨著霧濃度的增加，各種光源的透霧性都呈現出顯著下降的趨勢。

當霧濃度最大時 (濕度超過90%)，對比各種光源的透霧能力，結果如圖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。從圖3可以看出，對于不同波長LED，透霧能力的次序為:黃光＞綠光＞藍光＞紅光。對于不同色溫的白光LED，色溫為3200K的樣品透霧性最佳。進一步分析不同波長LED燈的透霧性能力，結果如圖4所示。隨著波長的增加，其透霧能力先增加后減少，存在最佳波長，使其透霧率最強。實驗結果顯示為黃光，這與黃光透霧性最好的普遍認識相一致。單色輻射在大氣中的透過率主要取決于兩個因素: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

參考光學手冊可知不同介質對不同波長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。而水汽對不同顏色光的吸收有著這樣一個規(guī)律:波長越長，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小于光波長的微粒的散射現象。米氏散射主要研究微粒線度大于光波長的微粒的散射。瑞利散射中散射光強度與入射波長的4次方成反比，即波長越短散射系數越大，即衰減系數越大，透過率越低。米氏散射中散射光強幾乎與波長無關。因此，綜合吸收以及散射兩個因素考慮，存在這樣一個波長使得吸收以及散射的總和最小，從而使得透過率最高。而我們實驗得到的結果是黃光波段的透射率最好，這也與文獻 ［7］的結果吻合。

3 不同霾濃度下光源的透過性

測定方法與測定不同霧濃度下光源透過性的方法基本相同，不同點是將鼓風機出風口對準通氣孔，用量杯量取灰塵放在箱子內出風口處，改變吹入的灰塵量調節(jié)不同的霾濃度。本文測量了兩種不同濃度的霾，實驗數據如表4所示。0檔為無霾的數據，1、2檔為有霾的數據。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如圖5所示，在同一霾濃度下 (2檔)各光源的透過率對比如圖6所示。

從圖5和圖6可以得出以下結論。

(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。

(3)對于白光LED，色溫越高，透霾的能力越強。

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

4 結論

本文通過實驗室模擬產生了均勻的霧霾實驗環(huán)境，分別對白熾燈、金鹵燈、鈉燈及不同色溫不同顏色的LED燈具進行了透霧和透霾的實驗研究。結果表明:不同種類不同顏色光源的透霧和透霾能力不同。

［1］丁玨，劉麗穎.霧霾天氣顆粒污染物的特性及吸收氣態(tài)污染物過程的分析［J］.上海環(huán)境科學，2009，28(1):11-14.

［2］黃世鴻，李子華，楊軍.中國地區(qū)邊界層大氣氣溶膠輻射吸收特性 ［J］.高原氣象，2000，19(4):487-494.

［3］楊小麗，羅九強，王俊波，等.大氣氣溶膠粒子光吸收系數的測量 ［J］.強激光與粒子束，2003，15(6):543-546.

［4］李學彬，胡順星，徐青山，等.大氣氣溶膠消光特性和折射率的測量 ［J］.強激光與粒子束，2007，19(2):207-210.

［5］李曉文，李維亮，周秀驥.中國近30年太陽輻射狀況研究 ［J］.應用氣象學報，1998，9(1):25-31.

［6］張倩，王兆均，姚其，等.可見光光譜透霧性研究［C］.北京:中國照明論壇——綠色照明與照明節(jié)能科技研討會，2009.

［7］呂正，徐濤.霧燈穿透能力最佳波長的實驗確定［J］.應用光學，2008，29(4):530-532，547.

［8］李東海，何彩霞.淺談霧霾天氣的識別及預警策略［J］.安徽農學通報，2011，17(18):165-166.