что такое стробоскопический эффект
Для чего нужен стробоскоп?
Стробоскопическое освещение широко применяется в тех областях промышленности, где оператор должен наблюдать за процессом производства, но наблюдение затруднено из-за эффекта смазывания. Настройки стробоскопа и получаемый результат будут зависеть от области промышленности, процесса, продукта и внешнего освещения.
Что такое стробоскопическое освещение?
Стробоскоп – это источник света, который мгновенно загорается и потухает. Это инструмент для демонстрации и настройки движущихся или вибрирующих объектов с помощью подсвечивания их импульсными лампами для создания эффекта неподвижности.
Стробоскоп был изобретён в 1836 году Жозефом Антуаном Фердинаном Плато, профессором Гентского университета (Бельгия). В 1931 году профессор Массачусетского Технологического Института д-р Гарольд Юджин Эджертон разработал ксеноновую импульсную лампу. Благодаря этому изобретению стробоскоп получил применение ещё и в фотографии, а также во многих областях коммерции и промышленности.
Стробоскопическая лампа производит очень короткую вспышку света длиною в одну стотысячную секунды. Благодаря коротким вспышкам высокой интенсивности изображение предмета «застывает» на cетчатке глаза, создавая чёткий стоп-кадр. Если предмет продолжает двигаться, его движение воспринимается как серия стоп кадров, будь то движение бейсбольного мяча или танец человека под светом стробоскопа на дискотеке.
В основном люди сталкиваются с действием стробоскопа на дискотеках или при проведении осмотра двигателя с помощью стробоскопических ламп. В таких случаях частота вспышки достаточна низка, поэтому человек может с лёгкостью проследить паузу между вспышками лампы. При этом прибор, как правило, работает с частотой 10-30 вспышек в секунду (10-30 Гц) и создаёт эффект мерцания.
Когда лампа стробоскопа превышает скорость 60Гц, вспышки появляются настолько часто, что человеческий глаз не улавливаем момент включения/выключения света. Таким образом больше не ощущается раздражающего мерцания, как в вышеуказанных случаях.
Работа стробоскопов с частотой выше 60Гц внешне ничем не отличается от освещения люминесцентными лампами или лампами накаливания, кроме того, что стробоскоп освещает движущийся предмет, создавая его чёткое изображение, на котором фокусируется глаз.
Как работает стробоскопическая лампа?
Когда предмет движется быстро, то глаза не могут сосредоточиться на нём. В зависимости от скорости движения предмета по отношению к расстоянию от смотрящего предмет может казаться размытым (расплывчатым) изображением. Например, лопасти вентилятора при вращении кажутся полупрозрачной плоскостью. Наблюдатель пытается сконцентрироваться на лопастях, но так как они продолжают движение, глаза получают только размытую картинку:
Попытки сконцентрироваться на движущемся предмете ясно демонстрируют нам ограниченность нашего зрения. Реагирование глаза на свет можно сравнить с реакцией химических веществ на плёнке фотоаппарата. Когда свет попадает на химические вещества, они активируются и формируют изображение на плёнке. Если фотографируемый объект движется слишком быстро, изображение получается смазанным. Чтобы решить эту проблему, фотограф увеличивает выдержку затвора. При короткой выдержке сокращается время активации светом химического материала. Так как затвор открыт на меньший интервал времени, объект лучше фиксируется и получается менее размытым на плёнке. Таким образом, фотограф получает более чёткое изображение. Очевидно, что мы не можем увеличить частоту восприятия наших глаз, поэтому нам необходимо подобрать подходящий фотографический затвор, который не произведёт разрушающий, раздражающий или ограничивающий наши возможности эффект.
Вспышка стробоскопической лампы замораживает движение предмета так же, как это делает затвор фотоаппарата. На вспышку длиною 10-30 мкс сетчатка глаза реагирует как на стоп-кадр. Объект, движущийся со скоростью 600 м/мин, проходит расстояние в 0,1 мм за это время, и оно представляется настолько ничтожным, что глаз воспринимает его как отсутствие движения. Таким образом устраняется эффект размытости и повышается контрастность, которая имеет решающее значение для выделения и распознавания предмета. При увеличении частоты вспышки в поле зрения глаза прокручивается последовательность изображений, которая стимулирует выявление и идентификацию дефектов. Когда глаз видит один и тот же дефект несколько раз, он сосредотачивается на нём и дефект отпечатывается в сознании.
Синхронизация стробоскопической вспышки
При изменении времени появления вспышки стробоскопа или интервалов между вспышками (частоты вспышек) движущийся или вращающийся объект может казаться:
В вышеупомянутом примере с вентилятором лопасть будет казаться неподвижной, если вспышка будет синхронизирована с определённым положением лопасти при вращении. Это происходит оттого, что стробоскопическая вспышка отображает одно и то же изображение на сетчатке глаза. Поскольку сетчатка не видит движения лопастей между импульсами стробоскопа, глаз воспринимает это как состояние покоя.
Если стробоскоп синхронизирован на частоту вспышек, немного превышающую скорость вращения вентилятора, то лопасть не будет успевать принимать то же положение при возникновении следующей вспышки. В таком режиме на сетчатке глаза будет отображена последовательность положений лопасти с отклонением назад в каждом последующем кадре. Поэтому будет казаться, что вентилятор медленно движется в обратном направлении.
Рис1: Если кажется, что вентилятор движется в обратную сторону, то частота стробоскопической вспышки выше скорости вращения лопастей:
Если стробоскоп синхронизирован на частоту вспышек, немного отстающую от скорости вращения вентилятора, то лопасть будет вставать в то же положение раньше возникновения следующей вспышки. В таком режиме на сетчатке глаза будет отображена последовательность положений лопасти с отклонением вперёд в каждом последующем кадре. Поэтому будет казаться, что вентилятор медленно движется вперёд.
Рис2: Если кажется, что вентилятор движется вперёд, то частота стробоскопической вспышки ниже скорости вращения лопастей:
Наблюдение за технологической линией без отпечатанного изображения
При наблюдении линейно движущейся линии, например, при обработке стали, можно наблюдать аналогичный с вентилятором алгоритм.
При наблюдении технологических линий важно поддерживать частоту вспышки выше значения 50-60 Гц. Так как при отсутствии повторяющегося шаблона глаза не могут зафиксироваться, необходимо преодолевать частоту мерцания. В таком случае устанавливается такая частота вспышки лампы, которой будет достаточно, чтобы зафиксировать «зернистую структуру» поверхности. Обычно частота составляет 65 до 85 вспышек в секунду, что значительно превышает обнаруживаемую частоту мерцания. Зерновой рисунок металлической поверхности на полосе может казаться неподвижным или «плавающим». Увеличивая или уменьшая частоту вспышки, вы можете передвигать зернистую структуру вперед или назад по полосе. После того, как вы зафиксировали зернистую структуру, любой дефект, выбивающийся из
обычной схемы прокатки, будет легко обнаружить. Такая зернистая структура является результатом процесса шлифовки валов конвейера при прокатке, которые передают свой рисунок прокатываемому материалу.
Возможно, вы столкнётесь с материалом без зернистой структуры. Например, такое можно наблюдать, когда поверхность валов конвейера гладкая, т. е. они изготовлены из нержавеющей стали высокого качества. В таком случае рекомендуется настроить частоту вспышек выше 70 Гц.
Инерция зрения
Существуют ошибочные представления о работе стробоскопов, которые необходимо прояснить.
Часто с работой стробоскопа ассоциируется мерцание. Благодаря феномену инерции зрения при высокой частоте вспышки мерцание не наблюдается. Лампа стробоскопа быстро включается и выключается каждую секунду, при этом каждая вспышка длится только 10 мкс за импульс. Из математического соотношения видно, что свет практически никогда не включён. Даже при частоте 60-100 Гц лампа находится в выключенном состоянии 99% времени. Тем не менее, глаз поглощает свет подобно тому, как губка впитывает влагу. Губка впитывает влагу быстро, но испаряет её очень медленно. Вспышка света активирует химические вещества глаза. Когда свет выключается (или в нашем случае в промежуток между вспышками) реакция на химические вещества угасает экспоненциально и занимает 350 мс до полного угасания.
При частоте вспышки выше 60 Гц химические вещества активируются заново быстрее, чем угасает свет, поэтому глаз не улавливает пауз между вспышками. Фотохимический процесс глаза, заключающийся в удерживания света, называется «инерцией зрения».
Каждый световой импульс освещает предмет только в течение одной стотысячной секунды или при частоте 60 Гц 6/10 000 секунды. Но при частоте выше 50-60 Гц благодаря инерции зрения промежутки темноты нивелируются и предмет кажется непрерывно освещённым.
Именно из-за инерции зрения вы не замечаете отдельных кадров кино- или телеизображения, частота которых не превышает 48-60 вспышек в секунду. Ниже представлен раскадровка обычного кинофрагмента. По этой же причине вы видите пятно после того, как вы делаете снимок с включённой вспышкой фотокамеры. Вспышка перегружает химическую реакцию сетчатки глаза, и пятно остается там на какое-то время.
Наблюдение за технологической линией печати
В определённых областях применения, таких как полиграфия, частота вспышки, скорее всего, будет ниже 50 Гц и световой импульс будет заметен. И в этом случае благодаря инерции глаза вы не будете испытывать дискомфорт, потому что передаваемое на сетчатку глаза изображение будет оставаться там до тех пор, пока следующая вспышка не обновит изображение.
Подобно лопастям вентилятора, синхронизированным со вспышкой, печатная серия также будет казаться неподвижной. Глазам станет дискомфортно, только когда частота будет ниже 20 Гц. Тем не менее, такая частота вспышки допускается и в определённых случаях понижается до 5 Гц.
Яркость против чёткости
Многие люди считают, что если на поверхность быстродвижущегося объекта падает большое количество света, то дефекты этого объекта будет легче рассмотреть.
Вернёмся к описанию работы глаза, когда на плёнке фотоаппарата появляется размытый снимок из-за продолжительности движения во время открытия затвора. Если вы не можете управлять выдержкой камеры (или глаза в данном случае), всё, что вы получаете от яркого света – это более яркий эффект смазывания.
Поскольку у глаза нет затвора, мы создадим эффект затвора с помощью импульсной лампы стробоскопа. Лампа стробоскопа создаёт короткий световой импульс. Как упоминалось ранее, свет не горит 99% времени. Это отличается от действия ламп накаливания, люминесцентных, ртутных и галогенных ламп. Такие лампы образуют непрерывный свет, который постоянно активируют химическую реакцию глаза. Именно поэтому при таком непрерывном свете вы наблюдаете призрачные или размытые изображения быстродвижущихся предметов. При правильной установке прибора всего нескольких сотен люксов
стробоскопического света достаточно для рассмотрения мельчайших деталей. Короткий импульс света действует подобно затвору, передавая серию чётких, ясных изображений на сетчатку глаза наблюдателя. Квалифицированные инспекторы и операторы прокатного стана, которые имеют представление о дефектах поверхности, могут незамедлительно выявить изъяны при скорости до 2000 м/мин.
Неопытным операторам будет легче определять дефекты при стробоскопическом освещении, и они быстро научатся выявлять дефекты производства.
Влияние внешнего освещения на стробоскопическое
Стробоскопический эффект снижается, если стробоскопическое освещение смешивается с внешним освещением. Для достижения необходимого стробоскопического эффекта стробоскопическое освещение должно быть в 4 раза сильнее внешнего. Под внешним освещением понимается весь свет, который прямо или косвенно попадает на осматриваемую поверхность, т.е. свет от ламп накаливания, люминесцентных, кварцевых, натриевых/ртутных ламп, а также и естественный свет. В некоторых случаях необходимо принять меры по уменьшению интенсивности данных видов освещения.
Рис: Ослабление стробоскопического эффекта при соотношении внешнего и стробоскопического освещения 1/1 вместо 1/4:
При усилении внешнего освещения стробоскопический эффект ослабевает. В таком случае следует либо установить стробоскоп ближе к поверхности, либо усилить стробоскопическое освещение, либо оборудовать колпак для защиты наблюдаемой зоны от внешнего света.
Стробоскопическое освещение в промышленности
При использовании стробоскопа для наблюдения за движущимся объектом свет оказывает такое же влияние на глаза, как и вспышка фотокамеры на плёнку. Каждый импульс стробоскопа даёт чёткое, ясное изображение, поэтому можно рассматривать мельчайшие детали объекта или поверхности на высоких скоростях без возникновения эффекта смазывания. Именно по этой причине стробоскопическое освещение используется как инструмент для визуального осмотра невооружённым глазом многих непрерывных процессов, а также для усовершенствования анализа движения или видеографии.
Стробоскопическое освещение широко применяется в тех областях промышленности, где оператор должен наблюдать за процессом производства, но наблюдение затруднено из-за эффекта смазывания. Настройки стробоскопа и получаемый результат будут зависеть от области промышленности, процесса, продукта и внешнего освещения.
Существует два основных типа процессов, для наблюдения которых используется стробоскоп: вращательные и линейные:
Источник публикации – Unilux Europe GmbH
Стробоскопический эффект
Полезное
Смотреть что такое «Стробоскопический эффект» в других словарях:
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ — СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ:1) восприятие в условиях прерывистого наблюдения быстродвижущегося предмета неподвижным;2) восприятие быстрой смены изображений отдельных моментов движения тела как непрерывного его движения. Приборы в которых… … Большой Энциклопедический словарь
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ — зрительная иллюзия, возникающая в случаях, когда наблюдение к. л. предмета осуществляется не непрерывно, а в течение отдельных малых, периодически следующих один за другим интервалов времени (напр., при периодич. открывании и закрывании… … Физическая энциклопедия
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ — один из видов иллюзий оптических, заключающийся в слиянии в сознании зрителя в один образ отд. изображений неподвижного или движущегося предмета, наблюдаемых не непрерывно, а в течение ряда коротких и периодически следующих друг за другом… … Физическая энциклопедия
Стробоскопический эффект — явление искажения зрительного восприятия вращающихся, движущихся или сменяющихся объектов в мелькающем свете, возникающее при совпадении кратности частотных характеристик движения объектов и изменения светового потока во времени в осветительных… … Официальная терминология
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ — явление искажения зрительного восприятия вращающихся, движущихся или сменяющихся объектов в мелькающем свете, возникающее при совпадении кратности частотных характеристик движения объектов и изменения светового потока во времени в осветительных… … Российская энциклопедия по охране труда
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ — (1) зрительная иллюзия, проявляющаяся в том, что быстродвижущийся объекта в условиях прерывистого наблюдения воспринимается как неподвижный; (2) восприятие быстрой смены дискретных актов движения объекта наблюдения как непрерывного. Приборы, в… … Большая политехническая энциклопедия
Стробоскопический эффект — 36. Стробоскопический эффект явление искажения зрительного восприятия вращающихся, движущихся или сменяющихся объектов в мелькающем свете, возникающее при совпадении кратности частотных характеристик движения объектов и изменения светового… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
стробоскопический эффект — 1) восприятие в условиях прерывистого наблюдения быстродвижущегося предмета неподвижным; 2) восприятие быстрой смены изображений отдельных моментов движения тела как непрерывного его движения. Приборы, в которых используется стробоскопический… … Энциклопедический словарь
стробоскопический эффект — stroboskopinis reiškinys statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. stroboscopic effect vok. stroboskopischer Effekt, m rus. стробоскопический эффект, m pranc. effet stroboscopique, m … Automatikos terminų žodynas
стробоскопический эффект — stroboskopinis reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. stroboscopic effect vok. stroboskopischer Effekt, m rus. стробоскопический эффект, m pranc. effet stroboscopique, m … Fizikos terminų žodynas
Стробоскопы. Виды и работа. Применение. Стробоскопический эффект
Стробоскоп – это осветительная установка, создаваемая яркие повторяющиеся световые импульсы, чередуя их с отключением. При работе он создает стробоскопический эффект, который основан на восприятии мозгом человека остаточного изображения. Фактически стробоскопы выдают яркие повторяющиеся вспышки, создающие обман зрения при совпадении определенных условий.
Что такое стробоскопический эффект
Это обман зрения, который основан на специфике восприятия человеческого мозга. Стробоскопический эффект в большей мере применим для вращающихся объектов. К примеру, если на оборачивающийся диск светить стробоскопом, при этом частота каждого его оборота будет совпадать с появлением новой вспышкой лампы, создастся впечатление, что круг неподвижен.
Мозг человека воспринимает происходящее только в момент вспышки стробоскопа. Пока лампа не светит, диск делает оборот, что естественно незаметно. Как только стробоскоп снова осветит поверхность вращающегося круга, то глаза увидят его в том же положении, что и на предыдущей вспышке. Таким образом, мозг будет считать, что диск неподвижен.
В том случае, если частота мерцания стробоскопа и вращающегося объекта имеют небольшое несовпадение, то при каждом включении мозга будет заметно незначительное перемещение. Если диск будет вращаться очень быстро, то при несовпадении частоты просто покажется, что он очень медленно проворачивается. В зависимости от того в какую сторону происходит несовпадение частоты между вращением и мерцанием, может создаваться разный визуальный эффект перемещения объекта. Даже если диск вращается по часовой стрелке, то при определенных условиях может показаться, что происходит обратное смещение.
Стробоскопический эффект является широко известным в профессиональных кругах, в сфере кинематографа. Видеозаписывающее оборудование снимает изображения в виде картинок, которые меняются с высокой частотой, порядка 24 кадров в секунду. Каждая последующая картинка показывает изображение объекта, на котором тот немного сдвинут в сторону. Благодаря этому просматривая кадры, человеческий мозг воспринимает это как движение.
Во время съемок вращающихся объектов частота их оборотов может совпадать с частотой кадров, записываемых с помощью камеры. В дальнейшем просматривая такое видео можно заметить, что нередко у автомобиля, едущего на очень высокой скорости, колеса оборачиваются медленно, или вообще вращаются в обратную сторону. Также стробоскопический эффект очень заметен если смотреть на видеозапись вращения лопастей вертолета. Создается такое впечатление, что они неподвижны или оборачиваются очень медленно.
Стробоскопический эффект может возникнуть при использовании люминесцентных ламп с дросселем, которые также выдают свет с мерцанием. В связи с этим их запрещено применять для освещения производственных станков. Если частота мерцания ламп и оборотов станка совпадут, то у оператора может создаться впечатление, что оборудование остановилось, хотя на самом деле это не так.
В большом промышленном цеху, где множество рабочих машин, сложно определить по звуку работает двигатель у данного станка или нет. Если довериться глазам и прикоснуться к фрезе, или любой другой острой оснастке, то можно получить травму. Именно поэтому техника безопасности запрещает использовать дроссельные люминесцентные лампы на промышленных объектах с вращающимся оборудованием.
Виды стробоскопов по назначению
Данные осветительные устройства бывают следующих видов:
Автомобильные стробоскопы
Второй кабель, идущий от стробоскопа, с помощью прищепки фиксируется на бронепроводе, подающем напряжение на свечу зажигания. После этого на шкиве и крышке двигателя, где имеются заводские метки, ставятся точки белым маркером, краской или мелом.
После запуска двигателя свечение стробоскопа направляется на метки. Под воздействием вспышек света глаз успевает замечать – где именно располагается маркер, чтобы провести правильную регулировку. Без стробоскопа различить что-то на вращающемся шкиве, который делает порядка 850 оборотов в минуту, просто невозможно. Каждая вспышка света на устройстве идет параллельно с подачей искры в цилиндре.
Помимо базовой конструкции, существуют и более усовершенствованные стробоскопы, которые имеют дополнительный провод, для присоединения к катушке автомобиля. Такие устройства позволяют работать как тахометр, они показывают текущие обороты двигателя. Также они выполняют функции вольтметра. Поскольку дизельные двигателя работают по другому принципу, чем бензиновые моторы, для них используется особенный тип стробоскопов. Они вместо прищепки для закрепления на бронепровод свечи оснащаются датчиком удара, который фиксируется к топливопроводу.
Практически любой автомобильный стробоскоп предусматривает различные режимы настроек, в зависимости от типа двигателя. Благодаря этому такие устройства можно использовать абсолютно на любой машине. Единственное важное отличие заключается только в том, что прибор для диагностики зажигания в бензиновом и дизельном двигателе отличается.
Стробоскоп для танцпола
На дискотеках применяются стробоскопы для освещения танцплощадок. Данные установки создают мигающий эффект, в результате чего получается ощущение визуального замедления движущихся людей. Такие устройства включаются в темноте. Яркие вспышки освещают танцующих, после чего наступает момент полной темноты. До повторной вспышки наблюдаемый человек меняет положение тела, в результате при взгляде на него кажется, что он это сделал мгновенно, поскольку глаза не видели момент плавного перехода.
Стробоскоп для дискотеки может иметь различные цвета ламп, что позволяет разнообразить эффекты свечения. Обычно цветные устройства имеют 5 расцветок. Такие приборы делают от 0 до 20 вспышек в секунду. Наличие цветных ламп создает эффект бегущих огней, также стробоскопы могут поддерживать вспышки в такт проигрываемой музыки.
Применение для наружной рекламы
Мерцание стробоскопа способно эффективно привлекать внимание окружающих, чем и пользуются при показе наружной рекламы. Используемые для этого лампы хаотично вспыхивают, что привлекает внимание проходящих мимо. Используемые для этого стробоскопы создают рассеивающий свет, поэтому он не ослепляет окружающих. Благодаря этому исключается создание опасных ситуаций.
Тактический фонарь
Данные устройства представляют собой тактический фонарь, который помимо обычного режима свечения также может создавать стробоскопический эффект. Такие устройства применяются для самозащиты. Достаточно направить фонарь на нападающего и неожиданно его включить. Как следствие злоумышленник будет дезориентирован, а также получит временное нарушение прямого и периферийного зрения. Подобное воздействие яркой вспышкой света вызывает смятение нервной системы, и даже способствует появлению панического страха. Подобные осветительные устройства используются не только для самозащиты, но и применяются правоохранительными органами многих стран мира. Эти устройства, несмотря на мощность, имеют вполне компактные габариты, что облегчает их ношение.
Источники света
Создавать свет в стробоскопе могут газоразрядные лампы или светодиоды. Более современным решением является применение именно светодиодов, поскольку они имеют определенные преимущества. В первую очередь они не боятся вибрации, отличаются большим эксплуатационным ресурсом и требуют меньше энергии. Они являются более безопасными. Светодиодные стробоскопы занимают мало места. Для питания светодиодов не нужно применять источник высокого напряжения, что исключает риск поражения током. Все тактические фонари оснащены именно светодиодным стробоскопом.