黑板燈投射角度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的必要性與結(jié)構(gòu)分析

鄭元利

（廈門市信達(dá)光電科技有限公司，福建廈門，361000）

關(guān)健詞：黑板燈；角度調(diào)節(jié)；精準(zhǔn)調(diào)節(jié)；平均照度

0 引言

2018年8月，教育部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)等八部門聯(lián)合印發(fā)了《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，方案要求教室照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率100%，落實(shí)教室、宿舍、圖書館等采光和照明要求，使用利于視力健康的照明設(shè)備。

GB/T36876-2018《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計(jì)安裝衛(wèi)生要求》中規(guī)定，黑板的平均照度大于500LUX，照度均勻度大于0.8。

1 投射角度調(diào)節(jié)模擬分析

本文分別以兩款黑板燈的IES文件在DAILUX4.13中進(jìn)行光學(xué)模擬，并按國(guó)標(biāo)GB/T36876-2018設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)教室尺寸和標(biāo)準(zhǔn)黑板位置尺寸建立教室模型，模擬不同的投射角度下黑板燈照度與照度均勻度數(shù)值的變化，從中得出結(jié)論。

模擬參數(shù)設(shè)定：(1)反射系數(shù)天花板70%，墻壁50%，地板20%。(2)黑板燈數(shù)量3臺(tái)，36W，87.5LM/W，整燈光通量3150LM/臺(tái)。(3)教室燈9臺(tái)，36W，85LM/W，整燈光通量3060LM/臺(tái)。

對(duì)A款和B款黑板燈進(jìn)行多種安裝位置進(jìn)行模擬，運(yùn)行后找出最佳安裝位置，然后以最佳位置為基礎(chǔ)，變更投射角度進(jìn)行多次模擬，得出多組數(shù)據(jù)列于下表。

圖1

圖2 旋轉(zhuǎn)角度為4度的模擬結(jié)果截圖

圖3 旋轉(zhuǎn)角度為4度的模擬結(jié)果截圖

表1和表2都只對(duì)黑板燈的投射角度進(jìn)行調(diào)整，從表1可以看出，4度角時(shí)（以圖1的視角，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)4度），效果最佳；從表2可以看出，4度角時(shí)，效果最佳，也就是黑板有最好的照度均勻度，平均照度又滿足要求，并有一定的余量。但實(shí)際上0度角才是兩款黑板燈的設(shè)計(jì)最佳角度。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？那是因?yàn)椋汗鈱W(xué)設(shè)計(jì)時(shí)不可能對(duì)每一條光線都進(jìn)行控制；透鏡生產(chǎn)時(shí)尺寸有公差，不可能與設(shè)計(jì)尺寸完全相同。

表1 A款黑板燈旋轉(zhuǎn)投射角度后各角度下的照度參數(shù)值

表2 B款黑板燈旋轉(zhuǎn)投射角度后各角度下的照度參數(shù)值

從表1的數(shù)據(jù)看，旋轉(zhuǎn)角度為2度的遞進(jìn)，從最佳值開始，第一個(gè)正負(fù)2度的旋轉(zhuǎn)，變化值在0.01以內(nèi)，越往后，變化值越大，平均照度變化值約30LUX。順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)4度，黑板的照度均勻度就不合格了。

從表2的數(shù)據(jù)看，旋轉(zhuǎn)角度與均勻度沒有很好的線性關(guān)系，但變化的趨勢(shì)是一樣的，從最佳值開始，順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)4-6度，黑板的平均照度或照度均勻度就不合格了。

從以上兩款黑板燈的光學(xué)模擬數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計(jì)最佳投射角度與實(shí)際最佳投射角度不一致，那么現(xiàn)場(chǎng)安裝黑板燈時(shí)就不能以設(shè)計(jì)的角度來安裝，黑板燈要調(diào)節(jié)投射角度后安裝。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：（1）黑板燈的最佳投射角度設(shè)計(jì)值與實(shí)際值不一致，黑板燈需要有可以調(diào)節(jié)投射角度的機(jī)構(gòu)。（2）黑板燈最佳投射角度范圍很小，一般的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)不能滿足要求。（3）黑板燈精準(zhǔn)調(diào)節(jié)角度很有必要。

2 現(xiàn)場(chǎng)安裝位置偏差對(duì)黑板燈光照影響分析

目前舊教室改造用黑板燈的需求很大，原有安裝的設(shè)備對(duì)新黑板燈的安裝會(huì)產(chǎn)生不便，很多時(shí)候都要調(diào)整安裝位置和安裝高度，這樣黑板燈設(shè)計(jì)的最佳安裝位置就不能用了，要移位，這對(duì)黑板的光照會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

下面以B款黑板燈在正常安裝位置上進(jìn)行適當(dāng)?shù)母叨日{(diào)節(jié)，離黑板的距離調(diào)節(jié)，水平調(diào)節(jié)。模擬看看這些調(diào)節(jié)對(duì)黑板的光照有多大影響。

(1)高度調(diào)節(jié)

高度分別升高100mm,和降低100mm的結(jié)果如下表：

表3 B款黑板燈安裝高度變化后的照度均參數(shù)值

從模擬的數(shù)據(jù)得出：當(dāng)黑板燈設(shè)計(jì)的安裝高度有障礙物時(shí)，可以通過改變吊桿的長(zhǎng)度來升高或降低黑板燈的高度。但需要微調(diào)投射角度，從表中可以看出與原投射角度相比，安裝高度降低0.1米時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度變?yōu)?度效果最佳，安裝高度升高到0.3米時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度變?yōu)?度效果最佳。升高或降低安裝高度，需要調(diào)整的角度都很小，只有±2度。

(2)離黑板的距離調(diào)節(jié)

從模擬的數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)黑板燈原安裝位置有障礙物時(shí)，可以往遠(yuǎn)離黑板的方向適當(dāng)移動(dòng)。但需要微調(diào)投射角度，從表中可以看出調(diào)整角度為4度，效果最佳。往接近黑板的方向移動(dòng)，沒有合適的位置。

表4 B款黑板燈安裝離黑板的距離變化后的照度均參數(shù)值

(3)水平調(diào)節(jié)

從模擬的數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)黑板燈安裝水平有問題時(shí)，黑板的照度均勻度有輕微的下降，平勻照度基本不變，安裝水平對(duì)黑板燈的影響可忽略。

表5 B款黑板燈安裝水平調(diào)節(jié)變化后的照度均參數(shù)值

綜上現(xiàn)場(chǎng)安裝位置偏差對(duì)黑板燈光照影響分析也可以得出以下結(jié)論：（1）黑板燈需要有可以調(diào)節(jié)投射角度的機(jī)構(gòu)。（2）黑板燈精準(zhǔn)調(diào)節(jié)角度很有必要。

3 投射角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)分析

目前市面上的黑板燈的可調(diào)節(jié)投射角度結(jié)構(gòu)各有不同，原理大多是這樣的（如圖4和圖5所示），現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)角度：吊桿和結(jié)構(gòu)件1不動(dòng)，黑板燈主體與結(jié)構(gòu)件2一同旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到需要的角度后，鎖緊蝶型螺母。生產(chǎn)時(shí)調(diào)節(jié)角度：黑板燈主體與結(jié)構(gòu)件2不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件1到需要的角度，鎖緊蝶型螺母。這種結(jié)構(gòu)有三個(gè)不完美的地方。1、調(diào)整角度前，要預(yù)鎖緊中間的螺絲，不能太松，太松容易跑位，角度調(diào)不準(zhǔn)確；也不能太緊，太緊有可能旋轉(zhuǎn)不動(dòng)。2、這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)調(diào)整了角度，兩件結(jié)構(gòu)間就產(chǎn)生了扭距，扭距靠?jī)杉佑|面的摩擦力來抵消，安裝時(shí)間久了，日常的振動(dòng)有可能使螺絲松動(dòng)，雖然不會(huì)使燈具掉下來，但旋轉(zhuǎn)的角度就可能變動(dòng)，甚至掉到完全不能用的角度，導(dǎo)致黑板照度參數(shù)不合格，影響使用。3、這種結(jié)構(gòu)，角度調(diào)節(jié)精度不高，（如圖4）因尺寸的限制，結(jié)構(gòu)件2尺寸不會(huì)太大，直徑30MM左右，每一個(gè)刻度為5度，精度不高，不能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)角度。

圖4

下文介紹一種作者設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)沒有上述（圖5）結(jié)構(gòu)所帶有的3個(gè)缺點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)范圍，也可以定制調(diào)節(jié)角度?？梢陨a(chǎn)時(shí)就調(diào)節(jié)好角度，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)角度，再根據(jù)樣本，統(tǒng)一調(diào)節(jié)，確保每一間教室的黑板照度參數(shù)一致。

圖5

該結(jié)構(gòu)（如圖6）主要由兩件結(jié)構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)件1安裝在黑板燈主體上，結(jié)構(gòu)件2安裝在吊桿上。兩件結(jié)構(gòu)件上都設(shè)計(jì)有一組同直徑的通孔，件1與件2通過最下端的M5螺釘聯(lián)接。結(jié)構(gòu)件1上的通孔邊上標(biāo)注有設(shè)計(jì)好的角度數(shù)字。當(dāng)結(jié)構(gòu)件2豎直時(shí)，正中的孔對(duì)齊，黑板燈處在0度角位置。當(dāng)結(jié)構(gòu)件2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)依次有孔重合，分別設(shè)計(jì)的角度是2度，4度，6度，直到14度結(jié)束。當(dāng)結(jié)構(gòu)件2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，也依次會(huì)有孔重合，分別設(shè)計(jì)的角度是-2度，-4度，-6度，直到-14度結(jié)束。當(dāng)需要的角度孔對(duì)齊后，用M3螺釘穿過通孔并與M3螺母鎖緊，再次鎖緊M5螺釘，調(diào)整完成。

圖6 結(jié)構(gòu)件1

該機(jī)構(gòu)的好處在于，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件1和結(jié)構(gòu)件2上的孔位，實(shí)現(xiàn)想要的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度范圍，通用性很強(qiáng)。也可以根據(jù)黑板燈的最佳模擬角度定制調(diào)節(jié)角度，這樣就只需要加工一組小孔就可以，節(jié)約了加工成本。

圖7

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高黑板光照效果與合格性，同時(shí)為黑板燈現(xiàn)場(chǎng)安裝可能出現(xiàn)的問題提供解決思路，對(duì)黑板燈的設(shè)計(jì)安裝位置下的設(shè)計(jì)投射角度進(jìn)行模擬，并調(diào)節(jié)投射角進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)黑板燈可能出現(xiàn)的安裝情況進(jìn)行模擬，得出黑板燈投射角度精準(zhǔn)調(diào)節(jié)很有必要的結(jié)論。同時(shí)提出了一種合理的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)角度結(jié)構(gòu)，為黑板燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種有用的參考。

圖8