教室黑板燈的眩光影響分析

張怡妮，賀曉陽，鄒念育，程 敏，何啟鵬

(1.大連工業(yè)大學 光子學研究所，遼寧 大連 116000；2. 中認尚動(上海)檢測技術有限公司，上海 200233；3.貴州省光技術聯合與創(chuàng)新服務中心，貴州 貴陽 550000)

引言

教室是教師與學生活動的重要場所之一。教室照明質量對教師和學生的生理、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生聽課的效果，黑板照度不均勻或黑板燈安裝位置錯誤都會導致眩光產生。教室照明已成為國內外研究的熱點，相關標準對中小學生教室和黑板的照度、均勻度等提出了要求。在GB/T 36876—2018《中小學校普通教室照明設計安裝衛(wèi)生要求》中規(guī)定教室黑板面的維持平均照度不應低于500 lx，照度均勻度不應低于0.8[1]。但是從現有黑板燈的配光結果和現場照明檢測的數據來看，黑板照明還普遍存在問題，尤其是對教師產生的直接眩光的問題。這些問題部分是教室內部設施等客觀因素導致的，但更多的是燈具本身設計和安裝的不合理性造成的。在實際設計安裝過程中，國家標準中并未對黑板燈的安裝位置進行合理的規(guī)定，本文通過探究黑板燈的安裝位置對教師的眩光干擾，提出黑板燈的安裝位置限制關系式，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或亮度變化幅度過大，以致引起不舒適感或降低觀察物體能力[2]，具體表現在：當光源或反光面射來極高的亮度的光線，或者視野中心與背景亮度產生較大亮度差，這種亮度差會使人的視覺機能降低并且產生不舒適感。

人眼視野指當頭部不動時，眼睛直視正前方某一點時，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]。從人眼的垂直視覺區(qū)域來看，如圖1所示，人眼上方垂直視野區(qū)域為水平往上到與標準視線夾角60°的區(qū)域，而容易產生直接眩光的區(qū)域為與標準視線夾角5°～45°的區(qū)域范圍內[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質量的關鍵因素，良好的黑板照明應滿足以下三點要求：①有良好的照度均勻度，避免學生受到眩光干擾；②達到足夠的照度，使學生能清楚的看見黑板上的字；③避免黑板燈產生的光對教師產生不舒適眩光。

通過對部分地區(qū)學校教室照明現狀進行調研，發(fā)現教室照明環(huán)境中黑板照明的維持平均照度及照度均勻度仍存在嚴重的不合格現象。老師反饋黑板燈會產生強烈的直接眩光，造成老師在上課時眼睛很不舒適。為了避免嚴重的干擾眩光，老師會通過調整黑板燈原始的安裝角度來減少直接眩光，從而導致黑板燈的照度和照度均勻度發(fā)生改變，達不到當前國家標準的要求。

結合以上具體情況，黑板燈具的光學設計和安裝是優(yōu)化黑板照明的主要研究參數。盡可能地實現窄光束配光[5]，使得黑板燈的安裝距離盡可能的靠近黑板，在實現黑板照度及照度均勻度要求的同時，減少對老師的干擾眩光。依據黑板、黑板燈與教師的位置關系，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面的垂直距離，θ為燈具出光下邊緣點同人眼連線與水平線的夾角。如圖3所示，當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，就可以避開直接眩光區(qū)，從而減小直接眩光對老師的干擾。

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

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

圖4 位置關系簡化圖Fig.4 Simplified position diagram

0

(1)

0

(2)

在P點所在△PGF中，滿足：

(3)

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

(4)

《2014年國民體質監(jiān)測公報》[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，即黑板燈照射到黑板下邊緣的光線恰好不進入人眼，則

DF<172

(5)

設BD=h，GA=n，AB=w，則

GF=GA+AB+BD-DF

(6)

聯立式(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計時需要根據教室的現狀區(qū)別對待，同時也要根據實際情況進行安裝。當黑板燈的安裝距離滿足式(7)時，老師眼睛不受直接眩光影響或者受到的眩光影響相對會有所減少。

2 模擬仿真計算結果分析與討論

根據GB 7793—2010《中小學校教室采光和照明衛(wèi)生標準》中對黑板照明和教室照明的要求和GB/T 36876—2018《中小學校普通教室照明設計安裝衛(wèi)生要求》中對黑板燈具安裝距離的要求[7]，中小學標準教室長為9.0 m、寬為7.2 m、高為3.5 m，黑板長度和寬度大多為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，教師不受黑板燈的眩光干擾。

下面對式(7)的閾值與正確性進行探討。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；黑板及教室的點照度圖如圖7、圖8所示。

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

圖8 教室工作面的各點照度圖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到標準、黑板照度、均勻度均達到標準的前提下，對教師的眩光進行DIAlux模擬分析計算，在距離黑板15～50 cm處分別設置高度為145～180 cm的UGR觀測點，通過在水平方向上設置若干UGR計算點，模擬不同身高的教師在黑板前移動時，眼睛產生的眩光影響，UGR計算點列表如表1所示。

表1 黑板燈在m=0.55、n=0.2安裝位置下的UGR計算點列表

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置若干UGR測量點并取平均值，將若UGR值大于19，則視為有眩光影響。結果顯示，在教師眼睛距離黑板15 cm處時，身高155 cm及以上的教師受眩光影響較為嚴重；在教師眼睛距離黑板20 cm時，身高165 cm及以上的教師受眩光影響較為嚴重；在教師眼睛距離黑板25 cm處時，身高175 cm及以上的教師受眩光影響較為嚴重；而當教師活動范圍在離黑板30～50 cm處時，不受眩光的影響。在15 cm處教師受眩光影響嚴重，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；因此這樣的設計對于教師眼睛的眩光控制是比較合理的。

在上述設計案的基礎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到國家標準的前提上，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計算點

表3 黑板燈在m=0.7，n=0.2安裝位置下的UGR計算點

表4 黑板燈在m=0.8，n=0.2安裝位置下的UGR計算點

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

3 結論

本文通過對眩光和人眼舒適度的視角進行闡述，結合黑板燈安裝位置對教師眼睛的眩光影響進行了探討，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高度的函數關系。在給定的教室環(huán)境中，測量出黑板寬度和黑板下邊緣離講臺的高度后，即可通過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程中造受黑板燈的眩光干擾，通過計算機仿真模擬的結果也對理論進行了有力的論證，對黑板燈的安裝和黑板燈設計起到一定的指導作用，同時為良好的教室光環(huán)境設計提供了優(yōu)化的方向。