Методы расчета дальности действия световых сигналов
3-1 ТРЕБУЕМЫЕ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ НА ТРАНСПОРТЕ
Безопасность при заданных скоростях движения на транспорте связана со зрительной работой водителей подвижных средств и с особенностями самих подвижных средств. С момента получения сигнала опасности до полной остановки или изменения курса в каждом отдельном случае водителю должен быть обеспечен безопасный путь. Это «расстояние безопасности» lбезможно определить из следующего соотношения:
(3-1)
где lp = vtp— расстояние, пройденное подвижным средством с момента .воздействия светового сигнала на глаз (приемник) и осознания смыслового значения этого сигнала до момента выполнения необходимых действий (включение тормозной системы, изменение направления движения и др.);lин— расстояние, пройденное подвижным средством по инерции после включения тормоза или изменения курса;lзап— расстояние запаса, гарантирующего безопасность.
Расстояние безопасности, следовательно, зависит от вида и особенности подвижных средств и скорости их движения ν, а также от инерционных свойств зрения водителей, проявляющихся в реакции последних на действие светового сигнала. Эту реакцию во времени можно выразить уравнением
(3-2)
где tв— продолжительность возникновения ощущения с момента воздействия светового сигнала на светочувствительный слой сетчатки глаза водителя; toc— продолжительность осознания смыслового значения возникнувшего ощущения;tд— продолжительность выполнения необходимых действий водителя по управлению подвижным средством.
Указанная реакция во времени по данным многих исследований и практики колеблется в широких пределах. В зависимости от условий зрительной работы водителей численные значения этого времени, однако, не превышают tр= 38 с.
Расстояние, характеризующее инерционные свойства подвижных транспортных средств, по литературным данным и практики укладывается в пределы: для самолетов до 1000 м и более; для поездов до 800 м и более; для автомобилей 10 м и более и для судов 8—10 длин обычных судов и 2—4 длин скоростных судов (на подводных крыльях и на воздушной подушке).
Расстояние же запаса численно зависит от вида транспорта, его подвижных средств, характера путей, профессионального уровня водителей.
Расстояние безопасности определяет требуемую минимальную дальность действия световых сигналов на любом виде транспорта. Практически же по отдельным видам транспорта необходимая дальность действия световых сигналов зависит от характера транспортных путей и от условий выполнения транспортных операций. Так, на водном транспорте дальность действия световых сигналов определяется протяженностью прямолинейных участков пути, из которых они состоят, сопрягаясь плавными криволинейными переходами. По существующим «Правилам плавания по внутренним судоходным путям РСФСР» «дальность видимости огней береговых знаков и обстановки на реках, а также огней береговых и плавучих знаков на водохранилищах (и морях) обеспечивается в пределах установленных границ их действия», Здесь, следовательно, речь идет о дальности действия световых сигналов в пределах от полукилометра до нескольких километров по рекам или двух-трех десятков километров на водохранилищах и морях.
На железнодорожных путях движение поездов направляется строго фиксированным рельсовым полотном. В «Правилах технической эксплуатации железнодорожного транспорта» в разделе «Сигналы» говорится: «Показания входных и проходных сигналов должны как днем, так и ночью отчетливо различаться с приближающегося поезда на расстоянии не менее 1000м… Видимость предупредительных сигналов, а также основных сигналов, имеющих предупредительные сигналы, должна быть не менее 400 м ... Видимость выходных и маршрутных сигналов по боковым путям, а также маневровых сигналов должна быть не менее 200 м».
Воздушный транспорт, обладающий наиболее высокими скоростями движения, особенно нуждается в обеспечении безопасности полетов и посадки самолетов на аэродроме. В воздухе пилот ориентируется преимущественно по радиосигналам и по показаниям приборов в кабине самолета, контролирующих скорость и высоту полета, крен и место нахождения самолета. Радиосредства обеспечивают пилоту приближение к аэродрому, заход на посадку и начало снижения, окончательное же снижение, приземление и пробег по взлетно-посадочной полосе (ВПП) обеспечиваются визуальной ориентировкой по световым сигналам. Переход от радио к светосигнальным средствам пилот совершает после пролета над дальним приводным радиомаяком (ДПРМ). С этого момента самолет планирует на посадку и при приближении к ближнему приводному радиомаяку (БПРМ.) пилот ориентируется исключительно по световым сигналам. Общая протяженность зон приближения, подхода и посадки доходит до 5 км и более. В зависимости от типа самолета и его скорости при посадке в наиболее тяжелых погодных условиях, когда еще разрешается посадка, аэродромные огни должны различаться пилотом с расстояний не менее 600—1000 м [14, с. 32]. Это обусловлено необходимостью создания частичной перспективы полос и обеспечения «расстояния безопасности» с целью исправления ошибки в пилотировании самолета на этапе снижения.
Современные самолеты оснащаются комплексом оборудования для автоматического управления на всех этапах полета. Такие автоматы могут обеспечить, При соответствующем радиооборудовании аэродромов, заход на посадку, автоматическое приземление, а также обеспечить уход на второй круг в случае возникновения опасности при посадке. И в этом случае обеспечить полностью надежную посадку такие автоматы не могут, так как пилот психологически нуждается в непосредственной связи с той местностью (площадкой), на которой должен приземлиться пилотируемый самолет. Находясь вблизи ВПП, пилот обычно и при автоматическом управлении полетом берет управление самолетом на себя и ориентируется исключительно по световым сигналам.
Определение дальности действия световых сигналов по заданным характеристикам их проводится расчетом по воспринимаемому в точке наблюдения контрасту kдля сигнальных фигур (знаков) и по освещенности на зрачке глаза наблюдателя Езрдля сигнальных огней. Другими словами, расчет этот определяет оптическую дальность видимости или различимости в отсутствие экранировки излучения, несущего световой сигнал.
3-2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СИГНАЛЬНЫХ ФИГУР В ДНЕВНОЕ ВРЕМЯ
В расчетных операциях, определяющих дальность действия сигнальных фигур (знаков) в дневное время, как уже указывалось (§ 1-4), учитывают не только ослабление отраженного света от сигнальной фигуры в атмосфере на пути к наблюдателю, но и вуалирующую яркость L'Dза счет рассеянного света в атмосфере. Накладываясь одновременно на яркость рассматриваемой фигуры Lзни окружающего ее фонаLф, эта дополнительная яркость приводит к снижению контраста. Особенно это заметно в дневных условиях наблюдения и при плохой погоде.
При наблюдении темных сигнальных фигур на светлом фоне (Lзн<Lф) воспринимаемый в точке наблюдения контраст по яркости k'тс учетом световоздушного уравнения (1-13в) и уравнений (1-4) и (1-5) определится в виде
(3-3)
где DзниDф=Dзн+δ — расстояния от наблюдателя до рассматриваемой сигнальной фигуры (знака) и фона, на котором она рассматривается (см. рис. 1-2). Остальные величины и их обозначения были приведены в вышеуказанных уравнениях.
Приравнивая воспринимаемый в точке наблюдений контраст к пороговому, а точнее, к расчетному значении] его (k'п=kр) в заданных условиях наблюдения и решай приведенное уравнение (3-3) относительно дальности действия рассматриваемой темной сигнальной фигуры (знака)Dзн.т, получим расчетное уравнение в виде
(3-4)
г
де
яркости поверхностей сигнальной фигуры
и фона на котором она просматривается,
выражаются в долях яркости неба Lзн/Lни Lф/Lн.
Полученные расчетом по уравнению (3-4)
дальности действия рассматриваемой
сигнальной фигуры представлены на рис.
3-1.
Как видно из приведенного графика, с уменьшением относительно яркости рассматриваемой фигуры (знака) и прозрачности атмосферы, приводящих к уменьшению воспринимаемого в точке наблюдения контраста, дальность действия темного знака на светлом фоне резко сокращается. Значение дальности действия рассматриваемой фигуры уменьшается также при уменьшении значения расстояния от этой фигуры до фона, на котором она просматривается, так как при этом уменьшается дополнительная яркость за счет рассеяния света на участке, что также уменьшает контраст. Это обстоятельство имеет большое практическое значение, например, при размещении береговых сигнальных фигур(знаков) на водных путях. Если эти знаки большую часть дня кажутся темнее своего фона (просматриваются с теневой стороны), то поверхности, составляющие фон (лес, возвышенности и др.) должны быть от них как можно дальше (в целях увеличения воспринимаемого контраста).
Для темного знака, просматриваемого на фоне неба (Lф=Lн), уравнение (3-4) принимает более простой вид:
(3-4а)
где kн= (Lн-Lзн)/Lн— яркостный контраст темного знака с его фоном (небом), на котором этот знак просматривается.
Зависимость функции Dзн.т = f(τуд; kн) иллюстрируется на рис. 3-2.
П
ри
наблюдении светлых сигнальных фигур
(знаков) на темпом фоне (Lзн>Lф)
расчетное уравнение для определения
дальности действия их представляется;
в следующем виде:
(3-5)
В случае наблюдения такого знака на фоне неба (Lф =Lн) его дальность действия определится уравнением
(3-5а)
И
з
графиков построенных по данным расчетов
по уравнениям (3-5), видно, что светлый
знак на темном фоне обладает наибольшей
дальностью действия особенно при яркости
его поверхности, превосходящей яркость
неба в поле зрения наблюдателя (рис 3-3,
а, б) Из этих же графиков следует, что
размещение светлых сигнальных фигур
(знаков) должно быть как можно ближе к
поверхности, являющейся фоном
рассматриваемого знака. В этом случае
накладываемая на яркость фона
дополнительная яркость за счет рассеянных
лучей минимальная, а воспринимаемый
контраст максимальный.
3-3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СИГНАЛЬНЫХ ФИГУР В ПРОЖЕКТОРНОМ ПУЧКЕ СВЕТА
Видимость сигнальных фигур (знаков) в ночных условиях наблюдения обеспечивается специальным осветительным устройством или при соответствующем освещении их прожекторным пучком света. Расчетные уравнения, определяющие дальность действия таких знаков в прожекторном пучке, как и в предыдущем параграфе базируются на заданных уровнях воспринимаемых в точке наблюдения контрастов. Для определения этих контрастов по яркости предварительно находят значения уровней яркости поверхностей рассматриваемых знаков и фонов, на которых они просматриваются. Расчетные уравнения для определения указанных яркостей базируются на известном соотношении L =E и представляются ,в виде
(3-6а)
(3-6б)
где βзни βф— коэффициенты яркости наблюдаемых поверхностей знака и фона, на котором он просматривается;Iпр—сила света прожектора в направлении освещаемого знака; 1зни Dзн— расстояния от прожектора до освещаемого знака и от него до глаза наблюдателя,lфиDф— расстояния от прожектора до поверхности, фоне которой просматривается знак, и от нее до глаза наблюдателя; L'ABи L'АС—Дополнительные яркости за счет рассеянных лучей прожектора на пути АВ и АС (рис. 3-4).
В отсутствие ,каких-либо поверхностей, непосредственно примыкающих к сигнальной фигуре (знаку), освещаемой прожектором, фон ее создается лишь за счет яркости рассеянных лучей прожектора на пути от начала и до конца пересечения линией зрения всего пучка прожектора, т. е. на пути AC (рис. 3-4).
Следовательно, чтобы определить уровень воспринимаемого в точке наблюдения контраста в данном случае необходимо знать не только характеристики используемого прожектора Iпр, поверхности рассматриваемого знака β и ослабления света в атмосфере τl= e-al, но и характеристику свечения атмосферных слоев в пучке прожектора, выраженную яркостьюLатм. Для ее определения следует воспользоваться уравнением (1-11), в которомdФр‑ световой поток прожектора рассеянный атмосферой в объеме dV=Sdl1, представится в виде
(3-7)
г
деl1– расстояние от
прожектора до рассматриваемого слоя
атмосферы.
П
олученный
по уравнению (3-7) световой поток обусловит
свечение поверхностиS,
ограничивающей элементарный объем. Для
наблюдателя, находящегося на расстоянииl2от этого слоя
(рис. 3-5), указанное свечение будет
характеризоваться яркостью, определяемой
уравнением
(3-8)
Когда же наблюдатель находится вблизи прожектора (l1=l2=l), что является характерным для прожекторного освещения транспортных путей, углы α и θ принимают малые значения, т. е. cosαcosθ1,0. В этом случае уравнение (3-8) принимает следующий вид:
(3-8а)
Используя дифференциальное уравнение (3-8а), можно рассчитать яркость атмосферных слоев по всему пучку света прожектора при заданном направлении лини зрения, пересекающей этот пучок. При этом атмосферные слои на данном направлении делятся на участки, конечных размеров l=const (рис. 3-6), для которых рассчитываются яркости по уравнению
(3-8б)
Просуммировав полученные значения яркостей по всем участкам атмосферного слоя в направлении лини зрения наблюдателя или на части таких участков, по лучим общую яркость, равную
(3-9)
П
риведенный
метод является достаточно точным однако
он требует трудоемких расчетов. Более
приемлемым методом расчета яркости
атмосферных слоев за счет рассеяния
света в пучке прожектора является метод
табулирования, предложенный А. А. Гершуном
[ с. 156—175]. Метод этот приближенный, так
как исходит из постоянства значений
силы света прожектора: в любых направлениях
пространства (Iпр =
const) постоянства характеристик атмосферных
слоев (f()=const),
которые в реальных условиях меняются
в широких пределах.
Автором проводится интегрирование уравнения (3-8а) по частям и используются имеющиеся таблицы. С учетом принятых выше допущений, интеграл (3-8а) представляется в виде
(3-10)
где lиl‑ пределы интегрирования на выбранном участке линии зрения пронизывающей пучок света прожектора (см. рис. 3-5).
Если обозначить выражение показателя 2al=xи определить из этого равенстваlиdl, уравнение (3-10) преобразуется следующим образом:
(3-11)
Путем интегрирования по частям
(3-12)
и с применением таблиц функций e-xи
получена таблица функцииf(x),
частичные данные
которой приводятся в табл. 3-1.
|
Таблица 3-1 Табличные значения функции f(х) по Гершуну | |||||||||
|
x |
0 |
0,01 |
0,05 |
0,08 |
0,10 |
0,50 |
1,00 |
5,00 |
10,00 |
|
f(x) |
|
95,0 |
16,6 |
9,51 |
7,23 |
0,653 |
0,149 |
2410-4 |
3,8310-7 |
Если известны пределы интегрирования lиl,а также функцияf(x), искомая яркостьLатмопределится уравнением (3-11)
В качестве примера численного расчета яркости атмосферных слоев в прожекторном пучке L'атмпо данному методу берез прожектор, обладающий силой светаIпр= 105кд. Сигнальная фигура, освещаемая данным прожектором, находится на расстояцl1= 1,0 км от него. До входа в пучок прожектора линия зренl' = 0,5 км, а по выходе из негоl"=1,0 км. При заданном состоянии атмосферы, характеризуемом показателем ослабления света в ней а = 0,223 (уд= 0,8) и функцией рассеянияf(φ) =0,50, получим:x' = 2al= 20,2230,5 = 0,223;x=20,2231,0 = 0,446, a значения функции f(х) из приведенной выше таблицы равны: f(x') = 3,70 иf(х") =0,70. Подстановка в уравнение (3-11) дает:
При определении яркости рассеянного света в атмосфере приведенным выше уравнениям предполагалось, что какое-либо взаимодействие отдельных элементов объема атмосферных слоев отсутствует, что они независимы друг от друга. В действительности же каждый такой элемент, рассеивающий излучение, проходящее через него, можно рассматривать как вторичный излучатель. Светов поток, идущий от него и попадающий в соседний с ним элемент, так же частично рассеивается. В свою очередь все последующие элементы объема атмосферы тоже в какой-то мере рассеивают попадающий в них световой поток. Следовательно, суммарная яркость рассеянного света в атмосфере с учетом многократного рассеяния будет несколько превышать значения, полученные по уравнению (3-11) учитывающему лишь первичное рассеяние.
Расчет яркости атмосферных слоев за счет многократного рассеяния света прожекторного пучка возможен, но он требует сложных и длительных вычислений. Проведенный Рокаром [23, с. 389—413] такой расчет показал, что яркость от многократного рассеяния составляет небольшую часть от численного значения яркостей первичного рассеяния. Это позволяет в расчетной практике не учитывать многократное рассеяние, а ограничиваться первичным рассеянием.
Таким образом, по найденным значениям яркостей LзниLфи по уравнению (3-6) и рассчитанных по этим яркостям воспринимаемых в точке наблюдения контрастовkдля заданного расстояния пользуясь уравнением (1-4а), можно решать вопрос о видимое рассматриваемой сигнальной фигуры (знака) в прожекторном пучке.
3-4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ САМОСВЕТЯЩИХ ЗНАКОВ И СИГНАЛЬНЫХ ОГНЕЙ
Прожекторы, фары и источники света, применяем для освещения сигнальных знаков, включаются в большинстве случаев лишь с наступлением темного периода суток. В это время оптическая дальность видимости к освещенных предметов не превышает 140 м.
Часто для светового сигнала используется конструкция в виде короба с прикрытием выходной поверхности пропускающим светорассеивающим материалом [1, ч. 1. 200—207]. Размещенные внутри такого короба лампы с общим световым потоком, равным Fл, создадут светящую поверхность, излучающую световой поток
(3-13)
где Rs— светность ,внутренней поверхности короба, установившаяся в результате многократного отражения; σ — площадь светящейся поверхности; τ — коэффициент пропускания рассеивающего материала.
Указанная светность определяется уравнением
(3-14)
где S — общая площадь внутренней поверхности короба, а γ — коэффициент многократного отражения, определяемый уравнением
(3-15)
где ρ — коэффициент отражения внутренней поверхности короба; u— коэффициент использования, характеризующий долю отраженного потока, попадающего на выходное отверстие, определяемый отношением
(3-16)
Подстановка в уравнение (3-13) дает:
(3-13а)
Значение полученного по уравнению (3- 13а) светового потока позволяет определять силу света по нормали к светящей диффузной поверхности и уровень яркости ее, а по ним и значения дальности действия такого знака.
Самосветящие и освещаемые сигнальные знаки, а также световое отверстие сигнальных приборов с больших расстояний просматриваются под очень малыми углами. Вследствие этого их можно характеризовать силой света в направлении к наблюдателю Iзн, определяемой яркостью Lзнсветящей поверхности в том же направлении и ее видимой площадьюзн, т. е.
(3-17)
Заменяя произвольную форму сигнальной фигуры диском диаметром dзн, равным по площади этой фигуре(рис. 3-7), получим:
Просматриваемая с расстояния D под углом γ, эта I площадь выразится уравнением
(3-18)
З
десь
расстояние D и диаметрdзнвыражены в метрах, а угол—
в минутах.
Для обеспечения видимости данной сигнальной фигуры или сигнального огня, просматриваемых на фоне, характеризуемом яркостью Lф, необходимо наличие разности яркостей
(3-19)
не ниже пороговой величины в данных условиях наблюдения. В этом случае освещенность на зрачке глаза наблюдателя с учетом удельной прозрачности атмосферы удопределится уравнением
(3-20)
Подстановка в это уравнение значения σзниз уравнения (3-18) дает:
(3-21)
Решая это уравнение относительно яркости рассматриваемого знака, получаем:
(3-21а)
Требуемая же сила света светящей поверхности сигнального устройства в направлении к глазу наблюдателя определится уравнением
(3-22)
Пользуясь эмпирической зависимостью Е0=f(Lф) [уравнения (2-10 и 2-11)], при расчетном уровне освещенности Езр.рможно получить уравнение, выражающее зависимость требуемых яркости и силы света сигнального устройства от яркости фонаLф, расстояния D, углового размера светящей поверхности у и прозрачности атмосферыуд.
В ночных условиях наблюдения световых сигналов (Lф10-2кд/м2), когда неосвещаемые сигнальные фигуры не видны, а видны лишь сигнальные огни, второе слагаемое уравнения (3-22) по сравнению с первым принимает исчезающе малые значения, а потому им можно пренебречь. В этом случае уравнение (3-22) упрощается и представляется в виде ранее приведенного уравнения Аллара (1-2)
Приведенным уравнением пользуются для определения требуемых характеристик сигнального огня при заданных дальности действия его и удельной прозрачности атмосферы. Оно является основным в расчетной практике светосигнальных установок и применяется при заданных условиях наблюдения сигнального огня с дополнительным коэффициентом с, учитывающим снижение освещенности Езрза время эксплуатации установки.
Изменения условий наблюдения сигнального огня учитываются при проектировании светосигнальных установок соответствующим значением удельной прозрачности атмосферы уд и расчетным уровнем освещенности зрачка Εр, обусловленным имеющимся уровнем яркости фона адаптации Lф. Уравнение (l-2) применимо и для расчета требуемых характеристик самосветящих сигнальных знаков, просматриваемых под малыми углами (γ20').
Определение требуемых значений силы света сигнального прибора или удаленной самосветящей сигнальной фигуры в направлении глаза наблюдателя Iтрпри заданных условиях наблюдения светового сигнала и дальности действия его в расчетной практике проводится по одному из нижеследующих уравнений:
(3-23)
В
этих уравнениях D — заданная дальность
действия светового сигнала;уд,
а и S — соответственно удельная
прозрачность, показатель ослабления
света атмосферы и расчетное значение
метеорологической дальности видимости;
с — коэффициент запаса, учитывающий
потери света из-за «старения» ламп,
запыления и др., обычно укладывающийся
в пределы с = 1,31,4, и
Ер— расчетное значение освещенности
зрачка глаза наблюдателя.
Уравнения (3-23) нельзя выразить относительно дальности действия светового сигнала D, так как последняя входит в уравнения как сомножитель и как показатель степени при уд. Поэтому определение искомой дальности действия сигнального огня приходится проводить по графикамIтр=f(удилиS; D), подобным приведенным на рис. 3-8. Для построения таких графиков уравнения (3-23) приводятся к виду
(3-23а)
Графики эти обычно строятся для белого сигнального огня постоянного действия при Ер=0,210-6лк и коэффициенте запаса с = 1,0, что было принято и в данном случае. Для всех же других видов сигнальных огней — цветных, прерывных и иных условий наблюдения искомые значения силы света определяются путем умножения найденной из графикаIтр=f(уд, D) силы света по заданным параметрам D иудна коэффициент запаса с и отношение освещенности Ε'р, которая соответствует другому виду сигнального огня и условиям его восприятия, к принятому при построении графиком значению Ер= 0,210-6лк, т. е.
(3-24)
Здесь Iгр— значение требуемой силы света из графикаIтр=f(уд, D) .
Расчет дальности действия самосветящих знаков, составленных из отдельных светящих точек (ламп, приборов), расположенных по контуру или .по средней линии сигнальной фигуры, может проводиться по тем же уравнениям (3-23). В этом случае расчетное значение силы света необходимо принимать равным
(3-25)
Здесь Iзн —сила света каждой лампы или прибора; Cn— коэффициент, учитывающий степень слитностиn. отдельных светящих точек (рис. 3-9).
При достаточно больших угловых расстояниях между собой сигнальные огни становятся независимыми друг от друга (Сn=1,0) и дальность действия их определяется по каждому в отдельности. В том же случае, когда совокупность светящих точек в данной сигнальной фигуре просматривается с заданного расстояния под углом около 20' и менее, расчетное значение силы света определяется уравнением
(3-25а)
Д
альность
действия сигнального знака, составленного
из источников света, можно определить
и по контрасту его с фоном, на котором
он просматривается, пользуясь уравнениями
(1 -4а) и (3-5). В этом случае придется
предварительно определять средневзвешенное
значение яркостей ,как самой самосветящей
фигуры, так и ее фона, по уравнению вида
(3-26)
где L — яркость отдельного источника света; σ — площадь видимой поверхности, отнесенной к этому источнику; σконст— площадь (всей поверхности конструкции, на которой размещены источники света.
Расчет дальности действия прерывных сигнальный огней может и должен проводиться по тем же уравнениям (3-23) и графикам Iтр=f(уд, D), что и для постоянных огней, однако получаемые в этом случае значения освещенности Езримеют характер эффективных или воспринимаемых в точке наблюдения величин Еэфф. Переход к истинным или фотометрическим значениям искомых величин возможен на основе закона Блонделя — Рея, учитывающего особенности зрительных восприятий прерывных сигналов [см. (2-12) и (2-14)].
Для большинства случаев фотометрическая сила света светосигнального прибора за время проблеска (вспышки) не является постоянной. Это относится и к .случаю, когда прерывный огонь создается путем вращения узкого пучка лучей прибора, к случаю, когда сигнальная лампа работает в режиме прерывного питания, и к случаю, когда такой сигнал создается при помощи вращающихся ширм.
При вращении узкого пучка света светосигнального прибора продолжительность проблеска определяется частотой вращения пучка N = 60/T в оборотах в минуту и угловой шириной светового лучка , т. е.
(3-27)
где T — продолжительность периода прерывного огня, с. Определение эффективной силы света для этого случая может быть проведено по методу H. А. Карякина и В. В. Кузнецова [24, с. 2‑8]. По этому методу из заданного пучка света выделяются фиктивные пучки с заданной угловой шириной ' и соответствующей ей силой светаI'эфпостоянного значения по всей ширине пучка' (рис. 3-10). Для каждого из указанных фиктивных пучков света по уравнениям (3-27) и (2-12) находятся значения tприIэф, ,которые наносятся затем на графикIэф=f(tпр) (рис. 3-11). Искомое значение эффективной силы света определяется из этого графика по максимальному значениюI'эф, а длительность проблеска·— из той же кривой по значению tпр, приходящемуся наIэф.макс.
В общем же виде для прерывных сигнальных огней тс непостоянной силой света за время проблеска эффективное значение силы света будет определяться уравнением
(3-28)
г
де
t1и t2— пределы интегрирования;It—
фотометрическая сила света в момент
времениt;— постоянная, характеризующая инерцию
зрения (см. § 2-5).
При очень коротких проблесках (tпρ0,01 с) эффективная сила света определится уравнением
(3-28)
Для силы света, пульсирующей в продолжении каждого отдельного проблеска (рис. 3-12), связь между эффективным и фотометрическим значениями силы света представляется в виде
(3-29)
Для пульсирующего проблеска эффективная сила света определится уравнением
(3-30)
где ρ—параметр, который по исследованиям Р.Л.Фольб [1З, с. 58] в зависимости от продолжительности периода T принимает значения от ρ=1,0 до ρ=4,0.
П
о
данным значениям эффективной силы света
прерывных огней освещенность на зрачке
глаза наблюдателя определяется уравнением
(2-13), расчет по которому дает эффективную
освещенность Езр.эф. Эффективную
освещенность можно также определять
по заданным значениям времени поискаtпи пространственного
угла ω, в котором необходим поиск
светового сигнала прерывного действия.
Решая уравнение (2-2) относительно
эффективной освещенности Езр.эф,
получаем:
(3-31)
где Ер— расчетное значение освещенности; T — продолжительность периода прерывного сигнала.
Зрительным восприятиям световых сигналов существенно мешают как чрезмерно яркие посторонние источники света, так и сами сигнальные огни. Так, по исследованиям, проведенным применительно к светосигнальным установкам, слепящее действие сигнальных огней, например, вызывает резкое снижение быстроты различения сигнала, понижает общую чувствительность глаза Наблюдателя, о.чем судят: а) по времени ослепленности, определяемому промежутком от момента засвета глаза Наблюдателя до начала различения объекта .наблюдения; б) по повышению уровня пороговой освещенности зрачка Езр.п.
Учет слепящего действия сигнальных огней проводится по ,коэффициенту ослелленности S, определяемому по аналогии с осветительными установками на улицах [25, с. 1—4], следующим уравнением:
(3-32)
где θ — угол между линией зрения и направлением на блеский огонь; Lф— яркость фона адаптации;— яркость собственного света сетчатки глаза, характеризуемая кривой γ=f(Lф) (рис. 3-13).
В
ночных условиях наблюдения сигнальных
огней, когда яркость фона адаптации
мала, коэффициент ослепленности
определяется уравнением
(3-32а)
где параметр q представляется графиком q= f(Eэф) (рис. 3-14).
Зависимость повышения светового порога тестового огня 5 от эффективной освещенности, создаваемой блеским огнем, по исследованиям иллюстрируется графиком S = f(Eэф) (рис. 3-15). При цветных блеских огнях наибольшее слепящее действие оказывают зеленые и синие огни, красные же огни практически не слепят.
Для водителей транспорта слепящее действие оказывает и отраженная блескость, обусловленная зеркальным отражением света от транспортных путей. На водных путях, например, в ясную погоду образуется так называемая «солнечная дорожка» (а ночью — «лунная»), резко снижающая видимость пути, знаков и препятствий на нем.
О
дним
из возможных путей снижения отрицательного
действия блескости на транспортных
путях является использование явления
поляризации. Поляризованный свет огней
и отраженных лучей может нейтрализоваться
специально разработанными поляризационными
очками по типу, применяемых на речных
путях [7].
3-5. ПУТИ И СРЕДСТВА УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ
Увеличением значения силы света или яркости сигнального устройства достигают увеличения дальности действия светового сигнала. Однако эта мера после некоторого расстояния D становится бесполезной, так как под воздействием вуалирующей яркости атмосферных слоев, через которые проходит излучение, несущее световой сигнал, этот последний становится невидимым.
Дальность действия световых сигналов можно увеличить, если уменьшить ,вуалирующую яркость, снижающую контраст между сигналом и его фоном. Так, рассматривая сигнальную фигуру в прожекторном пучке, не следует допускать пронизывания линией зрения наблюдателя всего пучка прожектора, а лишь небольшого участка его. В дневных условиях наблюдения сигнальная фигура будет заметнее тогда, когда солнечные лучи падают с тыльной стороны наблюдателя, а не со стороны рассматриваемого объекта.
Н
аиболее
же действенными средствами увеличения
дальности действия световых сигналов
являются: а) световозвращатели или
катафоты — для сигнальных фигур (знаков);
б) наблюдательные оптические приборы—
для сигнальных огней и знаков.
Световозвращателями или катафотами принято называть такие оптические устройства или оптические элементы, которые отражают падающий на них пучок света строго в обратном направлении независимо от угла падения лучей (рис. 3-16). Отражающие оптические элементы выполняются из стекла, пластмассы или специальных пленок. В общем же виде возвратно отражающие устройства представляют собой сравнительно небольшой толщины диски, пластины прямоугольной и другой формы и совсем тонкие пленки, наложенные и закрепленные на поверхности сигнальной фигуры (знака). Оли выполняют роль отражающей поверхности с высоким коэффициентом яркости.
Расчет дальности видимости сигнальных знаков, снабженных такими световозвращателями, может проводиться по ранее приведенным уравнениям (3-6) и (1-4а), определяющим уровень воспринимаемого в точке наблюдения контраста. Для этого необходимо лишь иметь индикатрисы отражения используемых световозвращателей. Можно также рассматривать каждый из них как вторичный излучатель по своему светораспределению, приближающийся к самому осветителю — прожектору или фаре (рис. 3-17). В этом случае суммарная осевая сила света световозвращателей Iк, расположенных в плоскости, перпендикулярной к направлению наблюдения, будет создавать на зрачке глаза наблюдателя с расстояния D [26, с. 19—21] освещенность, равную
(1-2а)
г
деIк— сила света
катафота как вторичного излучателя
определится световым потоком Фк,
падающим на поверхность катафота σκ,
и свойствами отражения его поверхности.
Эту зависимость можно представить в
виде
(3-33)
где ск— коэффициент пропорциональности; Ек—освещенность на поверхности световозвращателя.
Обозначая произведение сккбуквойiк, получим уравнение (3-33) в виде
(3-33а)
где параметр iк, названный коэффициентом возвратной силы света, представится в виде
Коэффициент возвратной силы света характеризует светотехнические свойства световозвращателей. При помощи сравнительно простого тубус-фотометра [26, с. 20] iкможно измерить и получить количественные характеристики в кд/лк, ,которые и можно использовать в расчетах дальности видимости сигнальных знаков, снабженных катафотами. Учитывая, что освещенность, создаваемая прожектором или фарой на поверхности световозвращателя, равна:
(1-2б)
где Iпр— сила света прожектора (осветителя), аl— расстояние от него, получим новое выражение для силы света световозвращателя в виде
(3-33б)
Подстановка полученных соотношений в выражение для освещенности на зрачке глаза наблюдателя Езрприводит его к виду
(3-34)
Для наблюдателя, находящегося вблизи осветителя (l=D), освещенность Eзрпредставится в виде
(3-34а)
Решение этого уравнения относительно дальности видимости освещаемого знака D, снабженного световозвращателем, в прямом виде не представляется возможным. Поэтому используются графики зависимости D=f(Iпр; iк) при заданных значениях расчетного уровня освещенности на зрачке глаза наблюдателя Eри показателя ослабления света а = -1nуд(рис. 3-18).
При расстояниях D = lкм и менее, что является характерным для прожекторного освещения и хорошей прозрачности атмосферы (уд0,7), дальность видимости сигнальной фигуры с катафотами в прожекторном пучке можно определять по упрощенному уравнению
(3-35)
Использование оптики для увеличения
дальности видимости представляет собой
более универсальный путь для этих целей.
Принадлежность к телескопическим
системам подобной оптики позволяет при
ее использовании улучшить условия
наблюдения сигналов за счет увеличения
освещенности на зрачке глаза наблюдателя
и снижения яркости фона адаптации при
наблюдении сигнальных огней, а также
за счет увеличения видимых угловых
размеров при наблюдении сигнальных
фигур. Из всех видов наблюдательной
оптики наибольшее распространение на
практике получили сдвоенные зрительные
трубы — бинокуляры, а из них наиболее
портативные— призменные бинокли (рис.
3-19). Такие бинокли характеризуются: а)
входным диаметром объектива и его
фокусным расстоянием dоб,fоб;
б) выходным диаметром окуляра и его
фокусным расстоянием dок, fок;
в) линейным увеличением наблюдаемого
объекта U=dоб/doк=fоб/fок,
г) удельной и полной пластичностью, т.
е. способностью бинокля увеличивать
дальность объемного восприятия п=bоб/bоки П=пU; д) полем зрения, характеризуемым
углом изображения; е) относительным
отверстием O=Doб/fo6и, наконец, ж) светосилойQ=(dоб/fоб)2бин,
гдебин—
коэффициент пропускания света, попавшего
на объектив и вышедшего из выходного
з
рачка
окуляра бинокля.
Для рассматриваемых через бинокль сигнальных огней, размер, изображения которых на сетчатке маза наблюдателя не изменяется по сравнению с прямым наблюдением и не превышает наименьшего круга светорассеяния dp=dab=p.мин, действие бинокля на восприятие этих огней может быть определено из соотношения световых потоков, попадающих на сетчатку глаза при использовании бинокля и без него. Потоки эти определятся уравнениями
(3-36)
где гл— коэффициент пропускания света глазными средами.
Заменяя площадь входного зрачка объектива qобчерез площадь зрачка окуляра qоки квадрат линейного увеличения объекта, получим отношение указанных световых потоков в виде
(3-37)
Значение Г., полученное по уравнению (3-37), принято называть оптическим усилением бинокля [З, с. 506 — 521].
Для рассматриваемых через бинокль сигнальных фигур, изображения которых на сетчатке глаза наблюдателя имеют разные размеры при наблюдении их через бинокль (d'р.бин) и .невооруженным глазом (d'р), оптическое усиление бинокля определяется из соотношения освещенностей на сетчатке
Выражая указанные освещенности через световые потоки из уравнений (3-36), получим выражение оптического усиления бинокля в этом случае в виде
(3-38)
Следовательно, при рассматривании сигнальных фигур через бинокль наблюдателю будет казаться, что поверхность их становится темнее, чем при рассмотрении невооруженным глазом. Увеличение дальности видимости сигнального знака в данном случае достигается лишь за счет увеличения видимых угловых размеров сигнальных фигур, рассматриваемых через бинокль. Изменение углового размера рассматриваемого через бинокль объекта бинможно выражать также зависимостью
(3-39)
В приведенных уравнениях отношение qок/qзрхарактеризует действующую площадь зрачка глаза наблюдателя, вооруженного биноклем. Если площадь окуляра бинокля меньше площади зрачка глаза (qок<qзр), то площадь qзpбудет покрываться подошедшим к ней световым потоком лишь частично и указанное отношение будет меньше единицы. Если жеqок>qзрто они приравниваются друг другу (qок=qзр), так как световой поток, не попавший на зрачок глаза, не участвует в зрительном процессе и может лишь ухудшить условия наблюдения через бинокль.
Учет действия бинокля при расчете дальности действия сигнального огня может проводиться следующим образом. Пусть сигнальный огонь, характеризуемый силой света Iсв направлении ,к глазу наблюдателя, рассматривается им с расстояния Doпри удельной прозрачности атмосферыуд. В этих условиях освещенность на зрачке глаза наблюдателя определится уравнением Аллара (1-2)
При наблюдении этого же огня через .бинокль, обладающий оптическим усилением Г., указанная освещенность будет создана при другом расстоянии Dx>D0, т. е.
(3-40)
При равенстве освещенностей Езр=Езр.бинискомое расстояние Dxопределится уравнением
(3-41)
Обозначая отношение Dx/D0=n, получим увеличение дальности действия сигнального огня при использовании бинокля
(3-42)
Характеристики же требуемого бинокля определяются следующим уравнением:
(3-42а)
Указанные зависимости приводятся на рис. 3-20.
Глава четвертая