模拟雾霾条件下光源的透过性实验研究

韩 帅，唐 宇，李 坤，陈壬贤，周小丽，包熙鸿，刘木清

(1.国网北京电科院，北京 100075;2.国网北京市城市照明管理中心，北京 100078;3.复旦大学电光源研究所，上海 200433)

引言

无论是道路照明还是其它视觉环境，在研究目标物可见度的时候，都假定是在理想条件下进行的，即眼睛与目标之间的气态介质 (空气)是干燥、洁净的，光能的衰减可被忽略不计。但实际上，各类室外照明设施在不同气象条件下，特别是雾霾等恶劣天气，实际产生的照度值可能远低于理论计算值。为确保实际照明效果满足相关标准的要求，我们有必要开展恶劣气象条件对照明效果影响的相关研究。

近几年，雾霾天气多发，其可被视为特殊的大气气溶胶［1－3］。光源在恶劣天气中的光输出性能衰减，很大一部分就来自大气气溶胶的消光作用。对大气气溶胶的研究集中在在光学工程和气象学两个方面。光学工程主要研究大气气溶胶对单色光 (如激光)的吸收现象;气象学主要研究大气气溶胶对自然光 (如阳光)的吸收、散射现象以及能见度判定［4－5］。目前，涉及定量测定气溶胶光吸收问题的论文很多，但报告的实验数据少，且缺乏系统性。在照明领域，有现实意义的是电光源在大气气溶胶中的透射性质。但现有研究多不适用于道路照明特殊光源，如激光;对电光源，特别是光谱复杂的气体放电光源和LED光源，没有直接指导意义。对于光源透雾性实验，文献 ［6］选用小功率LED进行实验，并只选用了几种彩色LED;文献 ［7］对雾灯穿透能力最佳的波长进行了研究，比较了相同传播距离下，光信号在薄雾、中雾、浓雾中的传播情况，发现LED在用作雾灯时的最佳波长为578 nm，但常用户外灯具大多采用复合光。本文选用不同色温不同波长的LED光源及金卤灯、钠灯等进行实验，并对实验结果进行了系统分析，同时还对透霾性进行研究。

1 雾霾实验装置的建立

1.1 均匀雾霾场的模拟

大自然中雾的形成要求空气中有丰富的水汽，并且暖气流降温剧烈或流经冷表面。相应的指标为较高的相对湿度，适宜的温度和适当的风力条件。在我们设计的实验中，要求雾是均匀，稳定，可控的。本文用超声波加湿器喷出的雾状水气来模拟雾。超声波加湿器使用超声波 (1.7MHz)使雾化片发生高频谐振，将水抛离水面，产生直径5μm的细小水滴。自然界中存在的雾，粒子直径在4～10μm之间，两者吻合。同时，该加湿器附有风动装置以利于水雾扩散，可得到均匀稳定的雾场。利用加湿器的不同档位，就可以调节雾浓度的大小。

霾也称灰霾，是空气中灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等非水成物组成的气溶胶系统。霾粒子直径多在0.001～10μm之间。霾与雾的区别在于发生霾时的相对湿度不大，而雾中的相对湿度是饱和的［8］。对于霾的模拟，本文采用鼓风机将草木灰吹入暗箱来实现，控制吹入的灰尘量，可以改变霾浓度。

图1 雾霾模拟装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hazy simulation device

模拟雾霾的实验装置示意图如图1所示。为排除外界干扰，本实验须在全黑环境下进行。本文采用了一个4.2m×1.2m×1.2m(长×宽×高)的大型暗箱。暗箱底板由两块木板拼接而成，支架为木结构，表面贴有黑色塑料板，木板裸露处涂有黑漆。暗箱末端设有支架以固定光源，支架两侧开孔接入加湿器喷头和电源。暗箱距光源1m，2m，3m处开有插槽。每条插槽配有长短插板各一块。插入短板仅能封闭插槽;插入长板可将暗箱分隔为两个独立空间，这样改变长隔板的位置，可以测试不同距离处的照度值。长板中央开孔以插入照度计探头;箱内对应地点设有导轨以确保探头位置固定。

1.2 雾霾浓度等级的确定

在用空调稳定室内温度和风力的条件下，初始湿度相同。设定雾或霾的浓度后，当光源稳定时，监测照度值，如果照度值稳定就认为箱内雾霾达到了均匀状态，可以进行数据记录。记录数据前关掉加湿器或者鼓风机，避免气流流动对结果的影响。以雾场为例，将加湿器调节旋钮处于同一位置时，用加湿器对暗箱加湿，对40W白炽灯进行了多次测试，在1m观测点处的照度值检测数据见表1。

表1 白炽灯实验的结果Table 1 Results for incandescent lamp

计算可得平均值Eavg=280.2lx，标准差S=1.54lx，S/Eavg≈0.5%。可以看出，在加湿器档位固定后，稳定一段时间，可以得到一个比较均匀的雾场。在此基础上，我们将雾浓度分为1～3三档，并在旋钮对应位置划刻度以作标记。未开加湿器的状态定义为0档，1～3档雾浓度逐渐增大。对于霾浓度的确定，通过改变吹入灰尘的量进行分级，本文共测试了两种不同的霾浓度，0档为无霾，1～2档霾浓度逐渐增大。

1.3 实验灯具

本文选用不同色温不同颜色的LED灯具及白炽灯、金卤灯和高压钠灯分别进行测试，相关灯具信息见表2。

表2 实验灯具参数Table 2 Parameters of the experiment lamps

2 不同雾浓度下光源的透过性

将暗箱置于通风状态，打开空调 (设置为20℃，一档风速)。空调运行20分钟后，将光源放入暗箱，连接电源。本文选取距离光源2m处进行照度测试，在2m插槽处插入长板，用短板封闭其他插槽。将照度计探头插入长板中心孔内。将加湿器喷嘴对准通气孔。打开电源，打开照度计，稳定30分钟后记录照度计示数。打开加湿器，调至第一档位，加湿至照度计示数不再变化为止，记录此时照度计的示数。改变加湿器的档位，重复上述步骤。完成后，取下光源，擦干暗箱内的积水，通风20分钟后。对其他光源进行测量。待测所有光源的实验数据如表3所示。档位0为无雾时的照度值，1，2，3档为雾浓度逐渐增大测得的照度值，不同雾浓度下的透射率定义为该雾浓度下照度值与无雾情况下的照度的比值。即T=E/E0，T为透射率，E为有雾时的照度值，E0为无雾时的照度值。

图2为各种光源在不同雾浓度下的照度变化。可以看出，随着雾浓度的增加，各种光源的透雾性都呈现出显著下降的趋势。

当雾浓度最大时 (湿度超过90%)，对比各种光源的透雾能力，结果如图3所示。

表3 不同雾浓度下光源的透过率Table 3 Transmittance of light sources under different thickness of fog

图2 各种常见光源透雾率趋势Fig.2 Transmittance of different light sources

图3 同一雾浓度下不同光源的透过率Fig.3 Transmittance of different lamps in the same thickness of fog

在所有光源中白炽灯透雾能力最强。从图3可以看出，对于不同波长LED，透雾能力的次序为:黄光＞绿光＞蓝光＞红光。对于不同色温的白光LED，色温为3200K的样品透雾性最佳。进一步分析不同波长LED灯的透雾性能力，结果如图4所示。随着波长的增加，其透雾能力先增加后减少，存在最佳波长，使其透雾率最强。实验结果显示为黄光，这与黄光透雾性最好的普遍认识相一致。单色辐射在大气中的透过率主要取决于两个因素:大气的吸收以及大气的散射。因此，单色光在雾中的透射率也主要取决于雾气的吸收以及雾气的散射。

图4 LED光源的透雾性比较Fig.4 Transmittance of LEDs under fog

参考光学手册可知不同介质对不同波长的光的吸收是不一样的，我们用加湿器来造雾，因此雾的成分主要是水汽。而水汽对不同颜色光的吸收有着这样一个规律:波长越长，吸收越多。而光的散射主要有瑞利散射和米氏散射。瑞利散射研究的是线度远小于光波长的微粒的散射现象。米氏散射主要研究微粒线度大于光波长的微粒的散射。瑞利散射中散射光强度与入射波长的4次方成反比，即波长越短散射系数越大，即衰减系数越大，透过率越低。米氏散射中散射光强几乎与波长无关。因此，综合吸收以及散射两个因素考虑，存在这样一个波长使得吸收以及散射的总和最小，从而使得透过率最高。而我们实验得到的结果是黄光波段的透射率最好，这也与文献 ［7］的结果吻合。

3 不同霾浓度下光源的透过性

测定方法与测定不同雾浓度下光源透过性的方法基本相同，不同点是将鼓风机出风口对准通气孔，用量杯量取灰尘放在箱子内出风口处，改变吹入的灰尘量调节不同的霾浓度。本文测量了两种不同浓度的霾，实验数据如表4所示。0档为无霾的数据，1、2档为有霾的数据。不同霾浓度下的透射率定义为该浓度下照度值与无霾情况下照度的比值。

各种光源在不同霾浓度下的透过率变化趋势如图5所示，在同一霾浓度下 (2档)各光源的透过率对比如图6所示。

从图5和图6可以得出以下结论。

(1)随着霾浓度的提高，所有光源的透过性都有所下降。

表4 不同霾浓度下光源照度值Table 4 Illumination values in different thickness of haze

图5 不同霾浓度下光源的照度Fig.5 Illumination value of light sources in different thickness of haze

图6 同一霾浓度下不同光源的透过率Fig.6 Transmittance of various lamps in the same thickness of haze

(2)不同光源透霾能力不同，他们的透过率大小为:LED灯＞金卤灯＞白炽灯＞钠灯。LED灯具透霾的能力最强。

(3)对于白光LED，色温越高，透霾的能力越强。

(4)在霾浓度较大时，不同颜色LED等透霾能力依次为:黄光＞红光＞绿光＞蓝光。

4 结论

本文通过实验室模拟产生了均匀的雾霾实验环境，分别对白炽灯、金卤灯、钠灯及不同色温不同颜色的LED灯具进行了透雾和透霾的实验研究。结果表明:不同种类不同颜色光源的透雾和透霾能力不同。

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