教室黑板灯的眩光影响分析

张怡妮，贺晓阳，邹念育，程 敏，何启鹏

(1.大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116000；2. 中认尚动(上海)检测技术有限公司，上海 200233；3.贵州省光技术联合与创新服务中心，贵州 贵阳 550000)

引言

教室是教师与学生活动的重要场所之一。教室照明质量对教师和学生的生理、心理上都有一定的影响，黑板照度及均匀度优劣影响着教师授课和学生听课的效果，黑板照度不均匀或黑板灯安装位置错误都会导致眩光产生。教室照明已成为国内外研究的热点，相关标准对中小学生教室和黑板的照度、均匀度等提出了要求。在GB/T 36876—2018《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》中规定教室黑板面的维持平均照度不应低于500 lx，照度均匀度不应低于0.8[1]。但是从现有黑板灯的配光结果和现场照明检测的数据来看，黑板照明还普遍存在问题，尤其是对教师产生的直接眩光的问题。这些问题部分是教室内部设施等客观因素导致的，但更多的是灯具本身设计和安装的不合理性造成的。在实际设计安装过程中，国家标准中并未对黑板灯的安装位置进行合理的规定，本文通过探究黑板灯的安装位置对教师的眩光干扰，提出黑板灯的安装位置限制关系式，以便更好地优化教室中黑板照明效果。

1 黑板灯安装位置对师生的眩光影响分析

眩光是一种由于视野中的亮度分布不适当或亮度变化幅度过大，以致引起不舒适感或降低观察物体能力[2]，具体表现在：当光源或反光面射来极高的亮度的光线，或者视野中心与背景亮度产生较大亮度差，这种亮度差会使人的视觉机能降低并且产生不舒适感。

人眼视野指当头部不动时，眼睛直视正前方某一点时，所能看见的空间范围。受眉毛和面颊的影响，单眼的垂直方向视角极限为130°，其中水平面上方为60°，水平面下方为70°[3]。从人眼的垂直视觉区域来看，如图1所示，人眼上方垂直视野区域为水平往上到与标准视线夹角60°的区域，而容易产生直接眩光的区域为与标准视线夹角5°～45°的区域范围内[4]。

图1 人眼的垂直视野与直接眩光区Fig.1 Vertical view and direct glare area of human eye

黑板照明是影响课堂教学质量的关键因素，良好的黑板照明应满足以下三点要求：①有良好的照度均匀度，避免学生受到眩光干扰；②达到足够的照度，使学生能清楚的看见黑板上的字；③避免黑板灯产生的光对教师产生不舒适眩光。

通过对部分地区学校教室照明现状进行调研，发现教室照明环境中黑板照明的维持平均照度及照度均匀度仍存在严重的不合格现象。老师反馈黑板灯会产生强烈的直接眩光，造成老师在上课时眼睛很不舒适。为了避免严重的干扰眩光，老师会通过调整黑板灯原始的安装角度来减少直接眩光，从而导致黑板灯的照度和照度均匀度发生改变，达不到当前国家标准的要求。

结合以上具体情况，黑板灯具的光学设计和安装是优化黑板照明的主要研究参数。尽可能地实现窄光束配光[5]，使得黑板灯的安装距离尽可能的靠近黑板，在实现黑板照度及照度均匀度要求的同时，减少对老师的干扰眩光。依据黑板、黑板灯与教师的位置关系，可画出位置示意图，如图2所示。

图2 黑板灯安装位置示意图Fig.2 Schematic diagram of installation of blackboard lamp

图2中m为灯具出光后边缘与黑板面的水平距离，n为灯具出光下边缘到黑板上边缘的垂直距离，h为黑板下边缘离讲台面的垂直距离，θ为灯具出光下边缘点同人眼连线与水平线的夹角。如图3所示，当黑板灯距离黑板越近或者黑板灯离黑板上边缘的距离越大，即角度θ>45°时，就可以避开直接眩光区，从而减小直接眩光对老师的干扰。

图3 黑板灯与人眼位置关系Fig.3 Relationship between blackboard lamp and human eye position

由于教师眼睛在水平方向上会动态变化，将教师眼睛视觉点定于黑板面上(最极端情况)，并将眼睛、黑板灯与黑板简化为点与线段，图4可视作教室的左视图，以墙角为原点，将天花板和黑板所在墙壁作为x轴和y轴，P(m，a)为动点。F点为教师眼睛位置，D为地面(或讲台的上边缘)，θ为黑板灯边缘光线与人眼的夹角，A点为黑板上边缘，B点为黑板下边缘，P点满足以下约束条件：

图4 位置关系简化图Fig.4 Simplified position diagram

0

(1)

0

(2)

在P点所在△PGF中，满足：

(3)

由于人眼容易产生直接眩光的区域在水平视角以上的5°～45°，再结合黑板灯的实际安装情况，θ需满足以下要求

(4)

《2014年国民体质监测公报》[6]中显示，20～24岁成年人平均身高在所有年龄段中最高，为171.9 cm。考虑最不利状态时，即黑板灯照射到黑板下边缘的光线恰好不进入人眼，则

DF<172

(5)

设BD=h，GA=n，AB=w，则

GF=GA+AB+BD-DF

(6)

联立式(1)～式(6)，可得

m

(7)

由于不同教室中黑板的尺寸和安装高度不完全一样，因此在黑板灯配光设计时需要根据教室的现状区别对待，同时也要根据实际情况进行安装。当黑板灯的安装距离满足式(7)时，老师眼睛不受直接眩光影响或者受到的眩光影响相对会有所减少。

2 模拟仿真计算结果分析与讨论

根据GB 7793—2010《中小学校教室采光和照明卫生标准》中对黑板照明和教室照明的要求和GB/T 36876—2018《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》中对黑板灯具安装距离的要求[7]，中小学标准教室长为9.0 m、宽为7.2 m、高为3.5 m，黑板长度和宽度大多为400 cm×120 cm，距离地面高度为100 cm，因此在w和h的选取中，选择w=120，h=100。在黑板灯的安装位置的选择上，选择n=20,即黑板灯安装高度为距离黑板上边缘20 cm[8]；与黑板面的水平距离分别选择m=55、60、70、80，将w、h、n代入式(7)，则m<68时，教师不受黑板灯的眩光干扰。

下面对式(7)的阈值与正确性进行探讨。所选择黑板灯的配光曲线如图5所示，以m=55、n=20为例，教室灯光模拟图如图6所示。

图5 黑板灯配光曲线Fig.5 Light distribution curve of blackboard lamp

图6 教室光环境模拟分析图Fig.6 Simulation map of light environment in classroom

DIAlux模拟后黑板面的平均照度为697 lx，照度均匀度为0.81；教室0.75 m的工作面平均照度为473 lx，照度均匀度为0.82；黑板及教室的点照度图如图7、图8所示。

图7 黑板面的各点照度图Fig.7 Illumination of dots on black panel

图8 教室工作面的各点照度图Fig.8 Illumination map of each point at the classroom face

在教室的工作面照度及均匀度均达到标准、黑板照度、均匀度均达到标准的前提下，对教师的眩光进行DIAlux模拟分析计算，在距离黑板15～50 cm处分别设置高度为145～180 cm的UGR观测点，通过在水平方向上设置若干UGR计算点，模拟不同身高的教师在黑板前移动时，眼睛产生的眩光影响，UGR计算点列表如表1所示。

表1 黑板灯在m=0.55、n=0.2安装位置下的UGR计算点列表

在模拟中，黑板灯安装位置为距离黑板上边缘20 cm，距离黑板面55 cm，满足式(7)，在教师眼睛位置处设置若干UGR测量点并取平均值，将若UGR值大于19，则视为有眩光影响。结果显示，在教师眼睛距离黑板15 cm处时，身高155 cm及以上的教师受眩光影响较为严重；在教师眼睛距离黑板20 cm时，身高165 cm及以上的教师受眩光影响较为严重；在教师眼睛距离黑板25 cm处时，身高175 cm及以上的教师受眩光影响较为严重；而当教师活动范围在离黑板30～50 cm处时，不受眩光的影响。在15 cm处教师受眩光影响严重，而考虑到人眼位于头部最前端，距离黑板15 cm属于教师头贴着黑板，眼睛离黑板距离最近的极限状态，在授课情况下，这种情形发生及其少；因此这样的设计对于教师眼睛的眩光控制是比较合理的。

在上述设计案的基础上改变黑板灯的距离，在黑板面和教室工作面的照度及均匀度等达到国家标准的前提上，讨论黑板灯垂直方向离黑板上边缘20 cm，水平方向上距离黑板面60 cm、70 cm、80 cm处的安装位置上，人眼在不同垂直高度与不同位置所受的UGR值，如表2～表4所示。

表2 黑板灯在m=0.6，n=0.2安装位置下的UGR计算点

表3 黑板灯在m=0.7，n=0.2安装位置下的UGR计算点

表4 黑板灯在m=0.8，n=0.2安装位置下的UGR计算点

由表1～表4得知，在n=20时，m=0.55、0.6满足式(7)，教师活动范围在离黑板30 cm及以外则不受黑板灯的眩光影响；而当m=0.7、0.8不满足式(7)时，教师受眩光影响较为严重。

3 结论

本文通过对眩光和人眼舒适度的视角进行阐述，结合黑板灯安装位置对教师眼睛的眩光影响进行了探讨，分析得出了黑板灯安装位置和黑板尺寸以及黑板距离讲台高度的函数关系。在给定的教室环境中，测量出黑板宽度和黑板下边缘离讲台的高度后，即可通过公式推算出黑板灯的最佳安装位置范围，从而避免教师授课过程中造受黑板灯的眩光干扰，通过计算机仿真模拟的结果也对理论进行了有力的论证，对黑板灯的安装和黑板灯设计起到一定的指导作用，同时为良好的教室光环境设计提供了优化的方向。