LED燈具投射角對(duì)籃球場(chǎng)照明的影響

孫富兵，王坤平，郭春鳳，李成明，王鳳超，劉 元，居家奇，李 瀾

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，上海 201418；2.上海良信電器股份有限公司，上海 201315)

引言

體育場(chǎng)館的照明不僅要滿足空間照明的需求，而且越來(lái)越重視人的主觀感受如舒適性等[1,2]。對(duì)于承擔(dān)體育運(yùn)動(dòng)賽事轉(zhuǎn)播的體育場(chǎng)館的照明，不僅要照顧到運(yùn)動(dòng)者和觀看者，攝像機(jī)對(duì)照明的要求也是關(guān)鍵[3,4]。因此，體育場(chǎng)館的照明有必要按不同要求進(jìn)行專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)。

目前一般的籃球場(chǎng)大多采用大功率鹵素?zé)艋蚪瘥u燈，燈具安裝形式有四塔式布置、雙側(cè)布置、光帶式布置、混合式布置等布置方法[5]。但是此類布置大多是為了滿足照度需求和較好的均勻度，往往忽視了人的主觀感受。在體育運(yùn)動(dòng)中，尤其是籃球運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員在投球等伴有抬頭行為的動(dòng)作時(shí)，雙眼可能會(huì)直視光源，高亮度的光源直射人眼，強(qiáng)烈的眩光會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員帶來(lái)極大的影響，不僅會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮，而且對(duì)其身體健康也會(huì)帶來(lái)不利的影響[6,7]。

基于以上原因，以上海某室外籃球場(chǎng)為例，我們利用其原有的燈具及附屬設(shè)備進(jìn)行照明優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于燈具為非對(duì)稱出光，燈具安裝的水平偏轉(zhuǎn)角度和垂直俯仰角度對(duì)照明結(jié)果的影響很大，因此燈具的安裝與傳統(tǒng)燈具的安裝要求不同。

1 籃球場(chǎng)測(cè)量的照度

我們對(duì)上海某室外籃球訓(xùn)練場(chǎng)新安裝的燈具，進(jìn)行了實(shí)地照度測(cè)量?；@球場(chǎng)大小為標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地大小，測(cè)試點(diǎn)選擇在籃球場(chǎng)長(zhǎng)邊間距2 m，短邊間距1.5 m，測(cè)試高度2 m，在無(wú)雜光干擾的情況下逐點(diǎn)進(jìn)行照度測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1 籃球場(chǎng)水平照度測(cè)量結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)處理可知，該球場(chǎng)水平平均照度為240 lx，照度均勻度為0.49，雖未進(jìn)行眩光測(cè)試，但在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，還是感受到很強(qiáng)的眩光照射。雖然這個(gè)籃球場(chǎng)是一般的訓(xùn)練場(chǎng)地，240 lx的平均照度是達(dá)到要求的，但是0.49的均勻度沒(méi)有達(dá)到相關(guān)要求。且不合適的燈具投射角度經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燈具出光面正對(duì)人眼的情況，給人帶來(lái)不適感。為了更加直觀地觀察該場(chǎng)地的均勻度情況，圖1給出水平照度測(cè)量的三維分布圖。

圖1 籃球場(chǎng)測(cè)量水平照度的三維分布圖

由圖1可見(jiàn)，在中間燈桿的下方，照度起伏很大，影響了均勻度。對(duì)比室外籃球場(chǎng)照度均勻度的國(guó)標(biāo)，結(jié)合表1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，盡管從數(shù)據(jù)看水平平均照度滿足業(yè)余籃球場(chǎng)照明相關(guān)要求，但是照度均勻度差，場(chǎng)地明暗差距大，燈下的照度高而邊緣部分照度低，明暗差距大導(dǎo)致場(chǎng)地會(huì)有亮斑和暗斑。在這種場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，快速的明暗交替會(huì)加劇眩光效應(yīng)，從而給運(yùn)動(dòng)者帶來(lái)嚴(yán)重的不適感，瞳孔在短時(shí)間內(nèi)快速地收縮與擴(kuò)展，加劇視覺(jué)疲勞，眩光會(huì)使人感到頭暈。籃球場(chǎng)地面反射率較高、照度過(guò)高也會(huì)引起強(qiáng)烈的反光。這一系列因素都會(huì)影響體育運(yùn)動(dòng)員的正常發(fā)揮。該場(chǎng)地是籃球場(chǎng)，必然有大量的投球、跳躍等動(dòng)作，面對(duì)強(qiáng)光投球，燈光可能直接射入眼睛，不僅影響發(fā)揮，對(duì)于視力也不利。綜上，面對(duì)該籃球場(chǎng)燈具已經(jīng)安裝好的情況，我們可以采用調(diào)整安裝角度來(lái)改善均勻度和減少眩光。

2 照明設(shè)計(jì)及模擬

2.1 場(chǎng)地布燈模擬

該場(chǎng)地采用飛利浦Tango LED 泛光燈 BVP281，光效>100 lm/W，顯色指數(shù)大于80。燈具BVP281是120 W的非對(duì)稱出光，配光曲線見(jiàn)圖2。非對(duì)稱出光可以滿足照明設(shè)計(jì)需求，為充分利用資源，燈具及附屬結(jié)構(gòu)不予更換，只對(duì)燈具的安裝投射角度等細(xì)節(jié)進(jìn)行處理。

圖2 配光曲線

利用DIAlux照明設(shè)計(jì)軟件，對(duì)籃球場(chǎng)調(diào)整燈具投射角的照度進(jìn)行模擬。依據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)建立空間模型，其場(chǎng)景圖如圖3(a)所示。場(chǎng)地采用兩側(cè)布燈的方式，單側(cè)三個(gè)燈桿，燈桿間距12 m，燈桿高8 m。中間燈桿安裝三盞燈具，其余均安裝兩盞燈具，共計(jì)14盞燈具。圖3(b)為相應(yīng)場(chǎng)地布燈的平面圖。

圖3 布燈圖

本籃球場(chǎng)地?zé)魲U高度為8 m,間距12 m，這些都是不能更改的量值，變量?jī)H為燈具的投射角度。在DIAlux軟件中，通過(guò)控制燈具照射點(diǎn)來(lái)確定燈具的投射角。照射點(diǎn)一般為計(jì)算面相對(duì)燈具的最遠(yuǎn)處，但是特殊情況必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。本文使用的燈具為非對(duì)稱出光燈具，考慮到出光有偏角，在模擬中多次修改照射點(diǎn)位置來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算，以得到最優(yōu)結(jié)果。雖然籃球場(chǎng)是主要照明區(qū)域，但籃球場(chǎng)邊緣位置的部分也不能忽略。

2.2 照明模擬

從圖2可以看出，燈具非對(duì)稱出光角度偏向?yàn)?0°左右。為了找到最佳燈具投射方向，在球場(chǎng)上做垂直方向偏離30°的輔助線若干條，并在球場(chǎng)中間添加?xùn)鸥褫o助線作為參照，以方便定位照射點(diǎn)。作為照明設(shè)計(jì)關(guān)鍵的部分，照射點(diǎn)的設(shè)置至關(guān)重要。依據(jù)場(chǎng)地兩邊燈具對(duì)稱分布的特點(diǎn)，結(jié)合其偏光角為30°，我們首先將場(chǎng)地沿長(zhǎng)度方向的對(duì)稱中線均勻照射，此時(shí)照射點(diǎn)均在中線上；其次，由于場(chǎng)地的對(duì)稱性，將場(chǎng)地和燈具分為四個(gè)區(qū)域，并選擇某一四分之一區(qū)域，調(diào)整本區(qū)域內(nèi)燈具的照射點(diǎn)，使得該區(qū)域內(nèi)照度均勻，確定本區(qū)域的照射點(diǎn)；最后，按照對(duì)稱性，依據(jù)四分之一區(qū)域內(nèi)的照射點(diǎn)的設(shè)置，借助格柵和輔助線，確定整個(gè)場(chǎng)地的照射點(diǎn)。 當(dāng)然，對(duì)場(chǎng)地邊緣這些不能忽略的特殊區(qū)域，最后對(duì)所涉及到的燈具照射點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)。確定照射點(diǎn)的過(guò)程中，需要特別注意燈具非對(duì)稱出光的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，最終得到一組符合要求的照射點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

將燈具的配光曲線導(dǎo)入DIALux軟件中，并對(duì)按照燈具的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。依據(jù)圖4的燈具照射點(diǎn)，對(duì)籃球場(chǎng)的照度進(jìn)行模擬，圖5給出了場(chǎng)地模擬的照度數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖4 燈具照射點(diǎn)圖

圖5 模擬的場(chǎng)地照度數(shù)據(jù)

對(duì)圖5中的照度數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，此時(shí)場(chǎng)地的平均照度為229 lx，均勻度為0.7，統(tǒng)一眩光值小于10。經(jīng)過(guò)了燈具投射角的調(diào)整，不僅照度均勻度由實(shí)測(cè)的0.49提高到了0.7，眩光也降低了。在三維場(chǎng)景里觀察燈具的朝向，燈具并非正對(duì)場(chǎng)地照射。所以，對(duì)燈具投射角進(jìn)行調(diào)整后，在本籃球場(chǎng)進(jìn)行籃球活動(dòng)的過(guò)程中，基本不會(huì)出現(xiàn)人眼正對(duì)出光面的情況，降低了眩光的影響。

依據(jù)調(diào)整投射角后的場(chǎng)地照度數(shù)據(jù)，給出照度三維圖如圖6所示。與圖1相對(duì)照，圖6中的照度沒(méi)有明顯的起伏，照度均勻度明顯提高，眩光效應(yīng)減小。

圖6 模擬的照度三維圖

3 結(jié)論

我們對(duì)某室外籃球場(chǎng)地水平照度進(jìn)行了測(cè)量，平均照度為240 lx,均勻度為0.49，現(xiàn)場(chǎng)感覺(jué)到明顯的眩光。在只能通過(guò)調(diào)整燈具投射角來(lái)調(diào)光的情況下，我們應(yīng)用DIALux軟件對(duì)場(chǎng)地照射點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，找到各燈具的最佳投射角；利用最佳的投射角，模擬了場(chǎng)地的水平照度，得到照度均勻度為0.7，統(tǒng)一眩光值小于10。該優(yōu)化方案充分利用原場(chǎng)地?zé)艟叻菍?duì)稱出光的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)場(chǎng)地照射點(diǎn)來(lái)找到合適的投射角，在模擬場(chǎng)景中不存在人眼正對(duì)光源的情況。因此，調(diào)節(jié)投射角度可以改善照度均勻度，降低眩光，這也是照明設(shè)計(jì)中重要的調(diào)節(jié)參數(shù)。