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。長期以來，我國民用航空工業(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際大眾機(jī)型的燈光照明系統(tǒng)，這極大地影響了我國民用飛機(jī)在國際市場上的競爭力。

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)上使用閱讀燈場景，基于DIALux evo軟件進(jìn)行場景模擬及評估，使用DIALux evo對閱讀燈進(jìn)行場景模擬及舒適性評估，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)，缺乏對飛機(jī)客艙乘客視覺環(huán)境的主觀感受評價(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，僅僅使用符合國外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的色溫感受評價(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)際使用場景，特別是照明裝置空間安裝尺寸的問題導(dǎo)致光源對比度大，長時間使用會出現(xiàn)視覺疲勞的炫光等問題。同時，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，對常有使用燈光場景進(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，針對以下幾種問題進(jìn)行針對性設(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）國際照明委員會（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，電子設(shè)備顯示屏幕或者光面讀物上會出現(xiàn)光源的反射影像，次光源會對乘客產(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軟件簡介

Dialux軟件是由德國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)果對民機(jī)客艙內(nèi)各行為狀態(tài)下個各個照明指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，如果各個指標(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，對著四個位置進(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，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，即內(nèi)側(cè)光源與外側(cè)燈源相差100 Lm左右的光通量時，兩側(cè)的照度相差值在10%以內(nèi)，得到表4結(jié)果，此時內(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)時兩種主要行為對閱讀燈的使用時的舒適性，使用Dialux evo軟件對民機(jī)客艙的閱讀燈照明對兩種主要行為下進(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)時對于光照環(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，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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