民機(jī)客艙內(nèi)閱讀燈光環(huán)境舒適性設(shè)計(jì)方案研究

陸星羽，余隋懷，裴卉寧

（西北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，陜西 西安710072）

0 引言

客艙燈光設(shè)計(jì)技術(shù)是體現(xiàn)先進(jìn)客機(jī)的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)型的重要標(biāo)志。長(zhǎng)期以來，我國(guó)民用航空工業(yè)在客艙研究方面缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和實(shí)力。在燈光配置上多引用國(guó)際大眾機(jī)型的燈光照明系統(tǒng)，這極大地影響了我國(guó)民用飛機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

民機(jī)客艙內(nèi)燈光的舒適性主要從燈照位置、角度合理性，燈光亮度、照度、色溫和視覺集中點(diǎn)等物理因素對(duì)人在客艙內(nèi)指定環(huán)境的行為和心理影響進(jìn)行研究。

本文分析了現(xiàn)有民機(jī)客艙燈光照明環(huán)境的設(shè)計(jì)，分析現(xiàn)有主流民機(jī)機(jī)型的閱讀燈設(shè)計(jì)，分析民機(jī)上使用閱讀燈場(chǎng)景，基于DIALux evo軟件進(jìn)行場(chǎng)景模擬及評(píng)估，使用DIALux evo對(duì)閱讀燈進(jìn)行場(chǎng)景模擬及舒適性評(píng)估，為今后民機(jī)客艙內(nèi)燈光照明環(huán)境研究提供研究方法參考及設(shè)計(jì)參考。

1 現(xiàn)有民機(jī)客艙內(nèi)閱讀燈照明舒適性分析

飛機(jī)客艙的燈光設(shè)計(jì)往往有其自身的設(shè)計(jì)特性，設(shè)計(jì)人員在照明設(shè)計(jì)上主要以滿足物理照度與需求參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，缺乏對(duì)飛機(jī)客艙乘客視覺環(huán)境的主觀感受評(píng)價(jià)的參考；在民機(jī)客艙內(nèi)照明的光源色溫方面缺乏合理的考量，僅僅使用符合國(guó)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的色溫感受評(píng)價(jià)方式；在燈具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方式與空間尺度上雖然存在著物理照度很高[1-2]，卻沒有結(jié)合乘客實(shí)際使用場(chǎng)景，特別是照明裝置空間安裝尺寸的問題導(dǎo)致光源對(duì)比度大，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)出現(xiàn)視覺疲勞的炫光等問題。同時(shí)，目前的客機(jī)照明方式也沒有解決不同行為方式下物理照明的舒適度問題，統(tǒng)一使用的一種照射光源的LED燈光，沒有充分利用LED燈的優(yōu)勢(shì)，對(duì)常有使用燈光場(chǎng)景進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。

客艙閱讀燈是客艙照明環(huán)境組成的一部分，主要由乘客根據(jù)自身行為活動(dòng)的需求進(jìn)行使用。主要作用是在封閉客艙的暗環(huán)境下進(jìn)行照明。機(jī)艙乘客在坐姿狀態(tài)下的主要行為活動(dòng)方式有：睡眠（休息）、進(jìn)食、閱讀（紙質(zhì)為主）、工作、娛樂（使用電子屏設(shè)備，以下統(tǒng)稱為作業(yè)），交談。其中普遍需要閱讀燈使用的行為為閱讀、工作和娛樂。這兩種行為對(duì)于輔助燈光的需求有所區(qū)別。如今市面上的大部分通用機(jī)型均使用單種燈光照明方式，這在一定程度上并不能滿足乘客在不同行為方式下對(duì)于燈光照明的需求。

2 民機(jī)客艙閱讀燈設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為獲得良好的閱讀照明條件，考慮不同的行為的需要，要全面考慮各項(xiàng)照明質(zhì)量的指標(biāo)，如照度、亮度分布、照度均勻度、陰影、眩光、光的顏色、照度的穩(wěn)定性等。合適的照度水平、適宜的亮度分布和均勻度、陰影的消除、限制眩光、適宜的光源色和顯色性以及照明的穩(wěn)定性共同構(gòu)成了良好的照明環(huán)境[3]。

在閱讀與作業(yè)的行為方式下，民機(jī)客艙特定的環(huán)境下設(shè)計(jì)照明燈光應(yīng)分別注意一下幾點(diǎn)：（1）限制燈光照射范圍，減小臨近座位之間燈光的影響；（2）合適的照度水平；（3）照度的均勻度；（4）適宜的亮度分布；（5）限制炫光；（6）適宜的光源色和顯色性；（7）合適的入射角；（8）照明條件需穩(wěn)定。

為解決現(xiàn)存閱讀燈照射的不足，針對(duì)以下幾種問題進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2.1亮度、照度以及照度均勻度

（1）根據(jù)《gb50034-2013建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，一般學(xué)習(xí)的照度應(yīng)介于750 Lx，作業(yè)、閱讀最佳照度為300 Lx，書寫最佳照度為500 Lx，觀看顯示屏需要 50～90 Lx.

（2）國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦，在一般照明情況下，工作區(qū)域最低照度與平均照度之比（即照度均勻度）不應(yīng)小于0．8，工作房間整個(gè)區(qū)域的平均照度一般不應(yīng)小于工作區(qū)平均照度的1/3.我國(guó)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作區(qū)域內(nèi)照度均勻度不應(yīng)小于0.7.如表1所示。

表1 客艙內(nèi)推薦閱讀燈照明水平

（3）為了提高視覺舒適度，還需要考慮作業(yè)面鄰近周圍的照度不能過暗，否則易產(chǎn)生視覺疲勞，如表2所示。

表2 作業(yè)面鄰近周圍照度

2.2眩光的避免

民機(jī)客艙內(nèi)閱讀等使用時(shí)產(chǎn)生眩光的原因主要為反射眩光。當(dāng)光源布局以及燈具選型不當(dāng)時(shí)，電子設(shè)備顯示屏幕或者光面讀物上會(huì)出現(xiàn)光源的反射影像，次光源會(huì)對(duì)乘客產(chǎn)生反射眩光[4]。

從燈具和作業(yè)面的布置方面考慮，避免將燈具安裝在干擾區(qū)內(nèi)，如應(yīng)將燈安裝在工作位置的正前上方10°～40°的區(qū)域；對(duì)周圍亮度考慮，墻面的平均照度不宜低于50 Lx，頂棚的平均照度不宜低于30 Lx.如表3所示。

表3 直接型燈具的遮光角

2.3色溫

在閱讀、辦公、作業(yè)環(huán)境下，室內(nèi)照明光源色表特征應(yīng)滿足3 300 k～5 300 k.

3 仿真驗(yàn)證

3.1 Dialux evo軟件簡(jiǎn)介

Dialux軟件是由德國(guó)DIAI公司進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的一款專業(yè)照明設(shè)計(jì)和計(jì)算軟件[5-6]，可以方便快速地計(jì)算出任意空間任意平面及任一點(diǎn)的相關(guān)照明數(shù)據(jù)[1]。Dialux evo則是2015年后 Dialux軟件的新版本。Dialux evo簡(jiǎn)化了原有的操作，可以直接建立復(fù)雜的空間、操作建筑外景等。輸出的結(jié)果上也更為全面和準(zhǔn)確。

3.2利用Dialux evo軟件確定客艙艙照明設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)流程

客艙照明設(shè)計(jì)方案確定后，通過Dialux evo軟件進(jìn)行照明計(jì)算，驗(yàn)證客艙內(nèi)指定行為下工作面的照射范圍、照度以及照度均勻是否可以達(dá)到推薦值。輸出客艙閱讀燈照明的設(shè)計(jì)方案[7-8]。具體的操作流程如下：

（1）在CATIA中建立實(shí)物模型，將所需要的相應(yīng)部件導(dǎo)入犀牛中，調(diào)整之后導(dǎo)出3ds文件，導(dǎo)入Dialux evo中；

（2）在Dialux evo軟件中輸入民機(jī)客艙照明設(shè)計(jì)方案，包括燈源、燈具參數(shù)規(guī)格、燈具具體安裝位置的輸入。

（3）進(jìn)行民機(jī)客艙內(nèi)的照明計(jì)算，根據(jù)輸出的結(jié)果對(duì)民機(jī)客艙內(nèi)各行為狀態(tài)下個(gè)各個(gè)照明指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，如果各個(gè)指標(biāo)沒有達(dá)到推薦值，則需要再次調(diào)整參數(shù)進(jìn)行照明計(jì)算，直到各照明數(shù)據(jù)達(dá)到推薦值，然后輸出照明的設(shè)計(jì)方案。理由Dialux evo軟件確定民機(jī)客艙內(nèi)舒適照明設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 理由Dialux evo軟件確定民機(jī)客艙內(nèi)舒適照明設(shè)計(jì)方案流程

4 實(shí)例

以客艙為例，進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。在確保避免炫光的基礎(chǔ)上，客艙照度以及照度均勻度能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。已知單個(gè)座椅環(huán)境需要的照明尺寸為300 cm×300 cm，燈光采用LED燈，嵌入式安裝在座椅頂部，與垂直屏幕成10°～40°角照射在小桌板上。座椅環(huán)境的布置位置以及尺寸等工程參數(shù)已經(jīng)確定。建立簡(jiǎn)易控制艙內(nèi)環(huán)境三維模型如圖1所示。

將模型導(dǎo)入Dialux evo軟件，并對(duì)于不同的重要大面積部件賦予材質(zhì)。民機(jī)客艙1∶13D模型如圖2所示。

圖2 民機(jī)客艙1∶13D模型

4.1確定燈相關(guān)物理量

如圖3所示，以小桌板中心垂直面為垂面，標(biāo)準(zhǔn)客艙下，閱讀狀態(tài)下的照度選擇350 Lx，使用電子屏條件下，照度選擇80 Lx，閱讀燈的入射角為22°，橫向遮光角為22°，LED射燈1盞。

圖3 民機(jī)客艙模型尺寸圖

在閱讀條件下，閱讀燈的光通量為：

在電子屏使用條件下，閱讀燈的光通量為：

式中：Φ為光源的光通量；E為設(shè)計(jì)照度；N為燈具數(shù)量；K為燈具維護(hù)系數(shù)；U為利用系數(shù)；η為燈具的效率；A為照射面積。

在Dialux evo軟件中選擇光通量接近116 Lm和23 Lm且橫向遮光角為22°的LED射燈光燈。本案例選用的是型號(hào)為：

閱讀條件：LED射燈-LTH0107004，光通量105 Lm ～ 120 Lm，色溫 4 000 k，光束角 24°.

電子屏使用：LED射燈-LTH0105002，光通量50 Lm ～ 65 Lm，色溫 4 000 k，光束角 24°.

測(cè)試點(diǎn)分別選取內(nèi)側(cè)（靠窗側(cè)）小桌板邊緣，內(nèi)側(cè)（靠窗側(cè)）小桌板中部，外側(cè)（靠走廊）小桌板邊緣，外側(cè)（靠走廊）小桌板中部四個(gè)，對(duì)著四個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，再取平均值。

已知燈具、光源規(guī)格參數(shù)及燈光布置區(qū)域，初步確定出兩種照明設(shè)計(jì)方案，并將此方案輸入到Dialux evo軟件中進(jìn)行驗(yàn)證。如果所需條件下的照度以及照度均勻度沒有達(dá)到推薦值，則需要在燈光布置區(qū)域內(nèi)調(diào)整燈光的安裝位置，反復(fù)調(diào)整以及計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果達(dá)到推薦值。指定區(qū)域等照度圖如圖4所示。

圖4 指定區(qū)域等照度圖

4.2 輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2.1閱讀條件情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)在輸出閱讀條件情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，內(nèi)側(cè)小桌板平面上的照度與外側(cè)小桌板的照度差距較大如圖5所示。內(nèi)側(cè)小桌板的照度均值為478 Lx，符合最佳舒適度的理論值，而外側(cè)小桌板的照度均值為293 Lx，低于理論數(shù)值，且與內(nèi)側(cè)小桌板差距較大。先提出修改方案。

圖5 閱讀條件下光源相同的輸出結(jié)果

內(nèi)外側(cè)小桌板將使用不同通光量的照射燈進(jìn)行照明。修改光源參數(shù)，內(nèi)部燈源光通量為120 Lx，外部光源光通量為230 Lx時(shí)，即內(nèi)側(cè)光源與外側(cè)燈源相差100 Lm左右的光通量時(shí)，兩側(cè)的照度相差值在10%以內(nèi)，得到表4結(jié)果，此時(shí)內(nèi)側(cè)小桌板平面平均照度為446 Lx，外部小桌板平面平均照度為415 Lx，照度均勻度均大于0.7，均符合最佳舒適度理論值。照明仿真計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖6 閱讀條件下修改光源后的輸出結(jié)果

表4 照明仿真計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

為了進(jìn)一步的提升乘客在乘坐飛機(jī)時(shí)兩種主要行為對(duì)閱讀燈的使用時(shí)的舒適性，使用Dialux evo軟件對(duì)民機(jī)客艙的閱讀燈照明對(duì)兩種主要行為下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析，得出初步結(jié)論，并提出民機(jī)客艙內(nèi)閱讀燈照明的修改方案建議。結(jié)論與建議如下：

（1）因人體眼部在紙質(zhì)閱讀和顯示屏作業(yè)時(shí)對(duì)于光照環(huán)境要求不同，建議民機(jī)客艙的閱讀燈照明，根據(jù)不同行為模式的推薦值改為兩種檔位照明可替換的照明方式。

（2）由于空間布局的特殊性，當(dāng)需求照度較大時(shí)，若使用相同的光源進(jìn)行照射，內(nèi)外側(cè)小桌板平面的照明效果區(qū)別較大，故建議將內(nèi)外側(cè)閱讀狀態(tài)下的閱讀照明燈光源區(qū)別裝配，從仿真效果來看，外側(cè)的照明光源的光通量將大于內(nèi)側(cè)照明光源的光通量。

通過1∶1模型的仿真分析，得出的結(jié)果為客艙閱讀燈照明方案的改良設(shè)計(jì)提供了參考基礎(chǔ)。為提升民機(jī)客艙內(nèi)照明環(huán)境的舒適度提出改良的設(shè)計(jì)方案建議。為進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作提供了理論參考依據(jù)。

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