Schemi illuminotecnica e acustica: Appunti di Fisica tecnica

La luce come fenomeno fisico e percettivo

La luce come fenomeno fisico

Energia raggiante emessa in quantità discrete (quanta o fotoni) e propagata con onde elettromagnetiche (generate dall’alternarsi ciclico di campi elettrici e campi magnetici).

Grandezze caratterizzanti l'onda elettromagnetica

• Lunghezza d'onda (λ): distanza percorsa dall'onda durante un'oscillazione completa [m]
• Frequenza (f): numero di oscillazioni effettuate nell'unità di tempo [Hz]
• Velocità di propagazione (c): velocità con cui si propaga l'onda elettromagnetica → c = λf
• Nel vuoto e nell'aria → c = 3*10⁸ m/s
• Negli altri mezzi → c = n: indice di rifrazione del mezzo

Spettro elettromagnetico: insieme delle radiazioni elettromagnetiche conosciute. Campo del visibile: 380 < λ < 780 nm. Colori da basse a alte λ: violetto, blu, verde, giallo, arancione, rosso.

La luce come trasporto di energia

• Flusso energetico (Φ): energia emessa o ricevuta come radiazione nell’unità di tempo [W]
• Intensità energetica: flusso energetico emesso in una data direzione → I = [W/sr]
• Angolo solido: spazio racchiuso da un cono con vertice nel centro di una sfera di raggio R e che intercetta su essa un’area A → ω = [sr]

Interazione luce-superficie

L’energia incidente su una superficie viene in parte assorbita, in parte riflessa e in parte trasmessa.

• Fattore di assorbimento α = %
• Fattore di riflessione ρ = %
• Fattore di trasmissione τ = %
• Modalità di riflessione e trasmissione: speculare, diffusa, semidiffusa, prismatica complessa
• Rifrazione della luce trasmessa: variazione della traiettoria della radiazione che si verifica all’interfaccia di separazione di 2 mezzi trasparenti
• Legge di Snell → n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂: indice di rifrazione assoluto

La luce come fenomeno percettivo

L’energia raggiante luminosa viene captata da retina (bastoncelli, agiscono a basse intensità luminose) e fovea (coni, agiscono ad alte intensità luminose e permettono la distinzione dei colori) determinando nel soggetto una sensazione visiva.

La sensazione luminosa

Aspetti qualitativi - percezione dei colori

L’organo visivo è stimolato diversamente a seconda della λ della radiazione incidente.

Aspetti quantitativi

• Intensità soggettiva: è funzione dell’intensità energetica (I_e) e della lunghezza d’onda (λ).
• Fattore di visibilità K(λ) con intensità soggettiva vale → K(λ) Φ(λ) = K(λ) Φ(λ)
• Visione fotopica (diurna): massima intensità soggettiva → K(555) = K_max
• Visione scotopica (notturna): massima intensità soggettiva → K(510) = K_max
• Fattore di visibilità relativa → V(λ) = K = 683 lm/W

Grandezze fotometriche

• Flusso luminoso (Φ): quantità di energia luminosa emessa da una sorgente nell’unità di tempo [lm]
• Luce monocromatica → Φ = K(λ) Φ_e,λ = K V(λ) Φ_e,λ [lm/nm]
• Luce eterocromatica → Φ = K ∫Φ_e,λ dλ = K ΣΔλ V_i Φ_e,λi [lm]
• Intensità luminosa: flusso luminoso emesso in una data direzione → I = [cd]
• Solido fotometrico: superficie delimitata dagli estremi dei segmenti proporzionali all’intensità della sorgente in diverse direzioni
• Indicatrice di emissione: curva formata dall’intersezione tra il solido fotometrico e un piano passante per l’asse verticale del solido
• Luminanza: rapporto tra l’intensità luminosa e la superficie emettente proiettata su un piano perpendicolare alla direzione dell’intensità → L = [nit]
• Illuminamento: rapporto tra il flusso incidente su una superficie e la superficie stessa → E = [lx] A: piano utile (circa 80 cm dal pavimento), ricevente il flusso
• Emettenza luminosa: rapporto tra il flusso emesso (o riflesso) da una superficie e la superficie stessa → M = [lx s.b. - lux su bianco] A: area emettente
• Temperatura di colore correlata: temperatura assoluta di un corpo nero che irradia luce di uguale tonalità a quella della sorgente [K]

Relazioni tra grandezze fotometriche

• Emettenza e illuminamento - superficie opaca illuminata → M = E ρ ρ: fattore di riflessione della superficie
• Luminanza e illuminamento - superficie opaca illuminata, luce diffusa → L =

Comfort visivo

Comfort visivo: soddisfazione delle esigenze di ordine visivo espresse dall’utente, determinato da:

• Prestazione visiva: velocità e accuratezza nello svolgimento di un compito visivo (osservazione di oggetti nello svolgimento di una data attività)
• Gradevolezza dell’ambiente: risulta dal rapporto tra luce (naturale e artificiale), caratteristiche dello spazio e delle superfici, attitudini personali e aspetti psicologici
• Sicurezza (corrente elettrica)

Criteri di progettazione illuminotecnica (norma UNI EN 12464)

• Distribuzione delle luminanze: evitare luminanze troppo elevate → abbagliamento
• Contrasti di luminanza troppo elevati → variazioni di adattamento oculare → affaticamento
• Luminanze e contrasti troppo bassi → ambiente monotono e non stimolante
• Illuminamento: scelto in funzione di ambiente, attività e compito visivo. Differenza significativa ogni 1,5 lx. Per percepire volto umano 20 lx
• Scala illuminamenti: 20-30-50-75-100-150-200-300-500-750-1000-1500-2000-3000-5000 lx
• Illuminamento medio mantenuto (nel tempo l’illuminamento diminuisce) → E_m = E_med M: illuminamento medio di progetto fattore di manutenzione
• Illuminazione delle zone immediatamente circostanti e uniformità di illuminamento → per evitare affaticamento visivo e abbagliamento molesto
• Abbagliamento: dovuto a elevati gradienti di luminanza, può essere molesto e debilitante
• Diretto: dovuto a sorgente luminosa di elevata luminanza nel campo visivo
• Riflesso: dovuto a riflessione