1.5 courbes de répartition des intensités lumineuses
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Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage Lumière et photométrie 1 INTRODUCTION..................................................................................2 1.1 THÉORIES RELATIVES A LA LUMIERE. ................................................................................... 2 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 DÉCOMPOSITION DE LA LUMIÈRE. ......................................................................................... 4 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 Expérience du prisme. ............................................................................................................................................ 4 Explication. ............................................................................................................................................................. 4 Spectres lumineux. ................................................................................................................................................. 4 Classification des radiations. .................................................................................................................................. 5 L'INTENSITÉ LUMINEUSE .................................................................................................................................... 6 FLUX LUMINEUX ~................................................................................................................................................ 6 1.3 ÉCLAIREMENT: E ....................................................................................................................... 7 1.4 LOIS DE LA PHOTOMÉTRIE ...................................................................................................... 9 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.6 La source n'a qu'un seul axe de révolution. ......................................................................................................... 11 La source présente deux axes de symétrie. ......................................................................................................... 12 CARACTERISTIQUES DES SOURCES LUMINEUSES ........................................................... 13 1.6.1 1.6.2 1.7 Loi du carré des distances. .................................................................................................................................... 9 Loi de l'obliquité. ................................................................................................................................................... 10 Généralisation. ..................................................................................................................................................... 10 COURBES DE RÉPARTITION DES INTENSITÉS LUMINEUSES ........................................... 11 1.5.1 1.5.2 Température de couleur ....................................................................................................................................... 13 Courbe spectrale et rendu des couleurs .............................................................................................................. 14 CRITERES DE CHOIX DES SOURCES LUMINEUSES............................................................ 14 1.7.1 1.7.2 1.7.3 2 Théorie de l'émission de Newton. .......................................................................................................................... 2 Théorie des ondulations . ....................................................................................................................................... 2 Théorie corpusculaire. ............................................................................................................................................ 3 Critères liés à l'utilisation ...................................................................................................................................... 14 Critères liés au mode d'éclairage ......................................................................................................................... 14 Critères économiques .......................................................................................................................................... 14 L’ESSENTIEL ....................................................................................15 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 1 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1 Introduction Si le soleil constitue la source principale d'énergie lumineuse durant le jour, la moitié de notre existence serait dans la nuit s'il n'y avait pas d'éclairage. C'est grâce à l'électricité que l'activité humaine peut continuer, et l'éclairage constitue une part importante de l'utilisation de l'énergie électrique. 1.1 THÉORIES RELATIVES A LA LUMIERE. 1.1.1 Théorie de l'émission de Newton. Une source lumineuse émettrait de petites particules de matière se déplaçant en ligne droite avec une grande vitesse. Figure N°1 Cette théorie n'explique pas, en particulier, les phénomènes d'interférence. 1.1.2 Théorie des ondulations . La lumière se propagerait par un mouvement vibratoire d'un milieu appelé éther. Le mouvement serait analogue à celui provoqué par la chute d'une pierre dans l'eau, la surface de l'eau subissant des ondulations qui vont en s'amortissant. Le temps d'une oscillation s'appelle la période t. La fréquence de l'oscillation est alors : Amplitude M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 2 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage Figure N°2 La vitesse de la lumière a été mesurée et trouvée sensiblement égale à 300 000 km par seconde. Le chemin parcouru par la lumière durant une période s'appelle la longueur d'onde À La longueur d'onde est donnée par la relation : v : en ms f en hertz en m Cette théorie s'étend aux phénomènes calorifiques et radio- électriques; la vitesse de propagation est la même; seule change la longueur d'onde. 1.1.3 Théorie corpusculaire. La production de la lumière résulterait de chocs entre les électrons qui rayonnent autour du noyau atomique ou librement. Ces chocs produisent de façon discontinue des trains d'ondes électromagnétiques appelées photons. Ces différentes théories se complètent et sont largement suffisantes pour la suite du cours. Si le soleil constitue la source principale d'énergie lumineuse durant le jour, la moitié de notre existence serait dans la nuit s'il n'y avait pas d'éclairage. C'est grâce à l'électricité que l'activité humaine peut continuer, et l'éclairage constitue une part importante de l'utilisation de l'énergie électrique. M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 3 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1.2 DÉCOMPOSITION DE LA LUMIÈRE. Le rayonnement d'une source lumineuse se définit comme une émission d'énergie comportant plusieurs radiations élémentaires. 1.2.1 Expérience du prisme. En envoyant sur un prisme un rayon lumineux en provenance lu soleil, on observe une décomposition de la lumière en couleurs élémentaires. Figure N°3 1.2.2 Explication. La lumière dite blanche du soleil est la réunion de plusieurs radiations élémentaires qui diffèrent par leur longueur d'onde. L'ensemble des radiations constitue le spectre de la source lumineuse. 1.2.3 Spectres lumineux. Chaque source lumineuse fournit un ensemble de radiations différentes et l'étude des spectres lumineux (analyse spectrale) est très importante pour le choix des sources lumineuses, d'autant plus que la sensibilité de l’oeil est différente selon les couleurs. Figure N°4 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 4 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1.2.4 Classification des radiations. Les radiations sont classées en fonction de leur longueur d'onde. Échelle des radiations Longueurs d'ondes des radiations de la lumière visible Figure N°5 Les radiations de la lumière visible ne représentent qu'une très faible partie de l'ensemble des radiations qui nous entourent. M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 5 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage La technologie de l'éclairage se réfère à la photométrie qui a défini un certain nombre de grandeurs avec leurs unités. La photométrie a pour objet la mesure des grandeurs photo métriques : -l'éclairement obtenu sur une surface -l'intensité lumineuse dans une direction déterminée -le flux lumineux total fourni par une source. 1.2.5 L'INTENSITÉ LUMINEUSE Cette grandeur a été fixée arbitrairement. C'est à partir de l'intensité lumineuse que l'on définit toutes les autres unités. L’intensité lumineuse, symbole: I Unité : la candela (.cd} Définition: La candela est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540.1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. 1.2.6 FLUX LUMINEUX ~ C'est la quantité de lumière émise par une source lumineuse dans un certain cône. Flux lumineux : ou F - Unité: le lumen Définition: C'est le flux émis par une source ponctuelle uniforme de 1 candela (1 cd) dans l'angle solide de 1 stéradian. (voir figure N°6) Relation : = I x Avec : M.HILLY SAINT-MARTIN : Flux lumineux en lumen (lm) I: intensité lumineuse en candela (cd) .Q : angle solide en stéradiant : L'angle solide de 1 stéradian est défini par une surface sphérique de 1 m2 placée à 1 rn de la source de 1 candela. Cours B.E. Page 6 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage Figure N°6 Le flux lumineux émis par une lampe est la caractéristique photo- métrique essentielle, elle est notée sur les lampes. Exemples : Lampes à incandescence : 125 V -40 W -450 lm 220 V -60 W -600 lm Tube fluorescent: 40 W -125/220 V -2900 lm 1.3 ÉCLAIREMENT: E Le flux lumineux produit par une source peut se répartir sur des surfaces différentes donnant des effets différents, il a donc fallu définir une unité de flux lumineux par unité de surface, c'est l’éclairement. Définition: Le lux est l'éclairement E d'une surface de 1 m2 recevant un flux lumineux de 1 lumen. C'est aussi 1 lumen/m2 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 7 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage Relation : Avec: : Flux lumineux en lm normal à S S : surface en m2 E : éclairement en lux (lx) Figure N°7 Exemple: On désire un éclairement de 250 lux sur une surface de 3 m2, indiquer le flux lumineux de la source. = E x S = 250 x 3 = 750 lumens. L'éclairement se mesure à l'aide d'un luxmètre. Cet appareil est muni d'une sonde constituée par une cellule photoélectrique de surface bien déterminée. Luxmètre (Chauvin-Arnoux) M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Figure N°8 Page 8 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1.4 LOIS DE LA PHOTOMÉTRIE 1.4.1 Loi du carré des distances. Définition: L'éclairement d'une surface par une source est inversement proportionnel au carré de la distance entre la source et la surface. Figure N°9 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 9 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage Exemple: Une surface placée à 2 m d'une source reçoit un éclairement de 160 lux; si cette surface est reculée à 4 m de la surface de la source, Quel sera son éclairement ? On applique la formule : E ' 160 lx 2² 40 lx , 4² 1.4.2 Loi de l'obliquité. L'éclairement est proportionnel au cosinus de l'angle d'incidence. Figure N°10 La loi de l'obliquité s'appelle aussi loi du cosinus. 1.4.3 Généralisation. A partir des relations suivantes On démontre que Figure N°11 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 10 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage Cette relation entre l'éclairement d'une surface et l'intensité d'une source est une généralisation des lois précédentes. 1.5 COURBES LUMINEUSES DE RÉPARTITION DES INTENSITÉS Pour représenter la répartition lumineuse d'une source ou d'un appareil d'éclairage, il faudrait tracer des courbes d’égale intensité lumineuse sur des sphères de différents diamètres. On obtiendrait alors des cartes isocandela. Cela est surtout utilisé pour l'éclairage extérieur ou des grands espaces. Du fait de la symétrie des sources lumineuses, la courbe des intensités peut être simplifiée. 1.5.1 La source n'a qu'un seul axe de révolution. C'est le cas de toutes les lampes à incandescence. Chaque direction est représentée par un rayon partant du centre de la source. On porte ensuite les intensités lumineuses de la source dans chaque direction. Bien souvent, on se contente de la moitié de la courbe des intensités lumineuses. Figure N°12 Exemple : Lampe Mazda 7, pour 40 -60 -75- 110 W -125/130 V M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 11 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1.5.2 La source présente deux axes de symétrie. C'est le cas des tubes fluorescents. On distingue alors un plan transversal qui est le plan A et un plan longitudinal qui est le plan B. Les deux courbes d'intensité lumineuse sont portées sur le même graphique. 180' 150' 120' Figure N°13 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 12 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1.6 CARACTERISTIQUES DES SOURCES LUMINEUSES 1.6.1 Température de couleur 1.6.1.1 Température de couleur et ambiance lumineuse La température de couleur, exprimée en °K, caractérise l'ambiance lumineuse, chaude ou froide, créée par une lampe. Elle permet de comparer l'ambiance chaude des lampes à incandescence avec la diversité des ambiances créées par les lampes à fluorescence. 1.6.1.2 Température de couleur et niveau d'éclairement Outre son incidence sur l'ambiance, le choix d'une température de couleur a une incidence sur le niveau d’éclairement. Pour des lampes créant des ambiances chaudes, on peut obtenir un éclairage confortable avec des niveaux d'éclairement assez faibles. Par exemple, 200 lux pour une lampe à 2 700 °K. Inversement, des lampes créant des ambiances froides nécessiteront des niveaux d'éclairement assez élevés. Par exemple, 500 lux pour une lampe à 6 500 °K. C’est ce qu'exprime le graphique (fig. N° 14). Il donne les valeurs supérieures et inférieures délimitant la zone d'éclairement confortable, en fonction de la température de couleur. Figure N°14 M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 13 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 1.6.2 Courbe spectrale et rendu des couleurs 1.6.2.1 Courbe spectrale Les courbes spectrales sont données ci dessous. Une courbe spectrale indique la quantité de radiation lumineuse en fonction de la longueur d'onde (fig. N° 12). Pour les lampes à incandescence, la courbe spectrale montre un spectre plus riche en couleurs chaudes (rayonnements rouge, orange et jaune) qu'en couleurs froides (rayonnements vert, bleu et violet). C’est généralement l'inverse pour les lampes à fluorescence. De plus, leur spectre comporte souvent des raies bien délimitées correspondant aux longueurs d'onde propres aux gaz qu'ils contiennent. Leur relative pauvreté en couleurs est corrigée par leur revêtement fluorescent. 1.6.2.2 Rendu des couleurs (l.R.C.) La restitution de la couleur des objets est d'autant meilleure que la courbe spectrale est riche et étendue. Cette aptitude à la restitution des couleurs est mesurée par un indice de rendu des couleurs, IRC, généralement compris entre les valeurs 95 (rendu excellent des couleurs) et 70 (rendu acceptable). Il peut être inférieur à 60 dans des lieux où le rendu des couleurs présent peu d'utilité, par exemple un tunnel. 1.7 CRITERES DE CHOIX DES SOURCES LUMINEUSES 1.7.1 Critères liés à l'utilisation Ce sont principalement les caractéristiques de la lumière, température de couleur, indice de rendu des couleurs, courbe spectrale. 1.7.2 Critères liés au mode d'éclairage Ils sont liés surtout aux caractéristiques des luminaires, 1.7.3 Critères économiques C’est la puissance consommée et surtout le facteur d'efficacité. M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 14 Eclairagisme BTS AEA 2003-2004 Cours B.E. 1) Les procédés d’éclairage 2 L’essentiel Le rayonnement d'une source lumineuse est caractérisé par son spectre lumineux. Le spectre lumineux peut être observé avec un prisme. L'œil est sensible aux rayonnements visibles dont la longueur d'onde est comprise entre 400 et 760 nanomètres. Le flux lumineux ou F donné par une source s'exprime en lumen, symbole lm. L'éclairement d'une surface se mesure en lux. Symbole Ix. Une source lumineuse est caractérisée par: le spectre lumineux et les courbes photométriques ; les paramètres: température de couleur, indice de rendu des couleurs. Les cônes de lumière sont utilisés avec les lampes à réflecteur incorporé, ils permettent de déterminer le diamètre de la surface éclairée et son éclairement moyen en .fonction de la distance qui la sépare de la lampe. M.HILLY SAINT-MARTIN Cours B.E. Page 15
