Notions simplifiées d’éclairagisme

Il convient, pour la bonne compréhension des techniques mobilisées dans l’ensemble des Fiches techniques de RENOIR, de définir quelques grandeurs et notions de base utilisées en éclairagisme. Cette partie de définitions ne saurait bien sûr pas se substituer à la consultation d’ouvrages techniques détaillant plus amplement ces notions, mais nous pensons qu’elle a ici sa place afin de rendre la lecture des différentes fiches plus aisée.

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Pour citer ce billet : Challéat S., 2016, « Notions simplifiées d’éclairagisme », Blog du Collectif RENOIR – Ressources Environnementales Nocturnes & territOIRes [carnet de recherche]. [En ligne] URL : https://renoir.hypotheses.org/1364 (consulté le …). ISSN 2495-8581.

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Flux, intensité, luminance et éclairement, des notions nécessaires

Le flux lumineux

Le flux lumineux (symbole Φ) est la quantité d’énergie lumineuse émise dans l’espace par une source lumineuse pour une unité de temps. Son unité de mesure est le lumen (lm). Le lumen est défini comme étant le flux lumineux émis dans l’angle solide unitaire par une source lumineuse ponctuelle située au centre d’une sphère d’intensité lumineuse équivalente à 1 cd (candela, voir ci-après) dans toutes les directions. Dans le système international (SI) l’unité de mesure de l’angle solide est le stéradian (sr), à l’origine du rapport :

1lm=1cd×sr (1)

Le flux lumineux étant une quantité de lumière émise pour une unité de temps par une source lumineuse, il doit être, du point de vue dimensionnel, considéré comme étant une puissance, car étant une énergie divisée par une unité de temps. Une extension intéressante du concept de flux lumineux considéré comme puissance est le concept d’efficacité lumineuse, rapport entre le flux émis par la source lumineuse et la puissance employée pour obtenir ce flux. À partir de la valeur obtenue, il est possible d’évaluer l’économie d’énergie qu’une lampe peut procurer par rapport à une autre. Le tableau 4 donne, pour les lampes les plus courantes, ces équivalences.

L’intensité lumineuse

L’intensité lumineuse (I) est la quantité de lumière émise par une source ponctuelle, qui se propage dans une direction déterminée. Cette intensité est définie comme étant le quotient du flux Φ émis dans une certaine direction dans un cône d’angle solide unitaire ω, d’où la formule :

I=dΦ/dπ (2)

L’unité de l’intensité lumineuse est la candela (cd), considérée dans le SI comme la grandeur physique fondamentale. Lors de la seizième Conférence des Poids et Mesures de 1979, il a été établi que l’intensité de 1 cd équivaut à l’intensité d’une source qui émet dans un angle solide de 1 stéradian la radiation monochromatique de fréquence et de puissance :

Φ= (1/683)W (3)

L’œil moyen international, établi par la CIE, permet de définir la valeur maximale de visibilité relative pour des radiations ayant une longueur d’onde de 555 nm, valeur qui correspond à 1 lumen.

La luminance

Quand la source lumineuse n’est pas ponctuelle (sol, mur, ciel, etc.), elle est à considérer comme ayant une certaine dimension et, par conséquent, la définition de l’intensité lumineuse donnée ci-dessus ne peut s’appliquer. Un nouveau concept doit être introduit, évaluant la quantité d’énergie lumineuse émise par ces surfaces, qu’il s’agisse d’une lumière propre ou, plus souvent, d’une lumière réfléchie. La grandeur photométrique ainsi introduite est la luminance (L), définie comme étant le rapport entre l’intensité lumineuse de la source lumineuse dans la direction d’un observateur et la superficie émettrice telle que vue par l’observateur (superficie apparente). L’unité de mesure de la luminance est la candela par mètre carré (cd/m2), et l’équation de base est la suivante :

L=dI (α/dA) × cosα (4)

Où I est l’intensité lumineuse en candela à l’angle α, A la zone de la source lumineuse, et cos α le cosinus de l’angle compris entre l’œil de l’observateur et la perpendiculaire par rapport à la source lumineuse. Le tableau 5 donne quelques valeurs de luminance, naturelles ou artificielles.

L’éclairement

Enfin, le dernier concept largement utilisé dans les projets d’éclairagisme est l’éclairement, mesuré en lux (lx), permettant d’évaluer la quantité de lumière émise par une source lumineuse qui est effectivement présente sur une surface déterminée (on parle souvent d’éclairement au sol, par exemple). L’éclairement (E) est donc la quantité de flux lumineux (dΦ) frappant une surface (dA). Le tableau 6 donne quelques exemples de niveaux d’éclairement.

E=dΦ/dA (5) ; et :1lux=1lm/1m2 (6)

Les diagrammes de rayonnement

Il est nécessaire, avant de s’intéresser véritablement au halo lumineux qu’engendre tout luminaire, de bien appréhender les grands traits de celui-ci, à savoir ses caractéristiques photométriques et leur résultante en terme d’éclairement au sol, ainsi que les leviers d’action à disposition du technicien, sur le terrain, pour faire varier cet éclairement.

Présentation

L’information principale concernant la photométrie d’un lampadaire est contenue dans son diagramme de rayonnement (en candélas par lumen ou, plus couramment, par kilolumen), qui est souvent donné en représentation polaire, suivant les 360° d’un disque dont la source de lumière (l’ampoule) occupe le centre. Le plus souvent, deux mesures sont effectuées dans deux plans orthogonaux, comme le montre la figure 14.

Exemples

Pour chaque luminaire, les constructeurs fournissent ce diagramme de rayonnement qui permet de visualiser la géométrie de l’intensité lumineuse par unité de flux lumineux (cd/lm, ou plus souvent exprimée en cd/klm). La figure 15 montre, pour deux types de luminaires très différents ces diagrammes de rayonnement. Ces deux exemples font apparaître un des paramètres majeurs des luminaires : l’ULOR (Upward Light Output Ratio). Celui-ci est défini formellement comme le pourcentage de flux lumineux sortant du luminaire au-dessus du plan horizontal. Ainsi, le diagramme (a) de la figure 15 montre un luminaire émettant plus de lumière au-dessus du plan horizontal (ligne marquée 90°) qu’en-dessous. À l’inverse, le diagramme (b) montre un luminaire n’émettant aucune lumière au-dessus du plan horizontal ; ce type de luminaire est dit « full cut-off » ou « complètement défilé ».

Éclairement au sol et coefficient d’uniformité

La mesure la plus courante : l’éclairement au sol

Par « photométrie », les professionnels de l’éclairage désignent souvent, dans leur langage courant, les caractéristiques d’éclairement de la chaussée, y intégrant parfois le flux émis en direction des abords et sur les surfaces verticales (murs des habitations). Cette considération partielle se retrouve dans les logiciels de simulations de scènes d’éclairage dans lesquels seuls les éléments de surface au sol sont représentés. Cette habitude dérive des procédures de contrôles des installations d’éclairage, lesquelles prennent essentiellement en compte des paramètres mesurés au sol (éclairement moyen sur une zone de contrôle, éclairement minimal, éclairement maximal, coefficient d’uniformité ; voir figure 16).

Les simulations via les logiciels de conception de scènes d’éclairage permettent de visualiser ces différences de photométries au sol. La figure 17, montre ainsi deux simulations réalisées par le logiciel DIALux® développé par la firme Thorn®, l’une pour un luminaire boule sans aucun défilement, l’autre pour un luminaire à la photométrie très typée. Ces outils permettent donc de visualiser aisément la qualité photométrique au sol d’une installation, et les données constructeurs quant à la distribution du flux donnent des indications précieuses sur l’importance du halo lumineux que l’on pourra observer autour de la source.

Le coefficient d’uniformité

Le coefficient d’uniformité est, encore aujourd’hui, le paramètre dont les éclairagistes se préoccupent le plus dans les projets d’éclairage public de voirie. Ce coefficient est défini comme le rapport de l’éclairage minimal sur la chaussée (Emin) à l’éclairage moyen (Emoy) de ladite chaussée. Sa maximisation vise à éviter « à tout prix » une alternance trop marquée entre zones plus ou moins éclairées.

L’importance de la conception du luminaire dans la répartition du flux sortant apparaît donc primordiale. Des modèles très différents se côtoient aujourd’hui dans les catalogues des constructeurs, allant des plus polluants (lampadaires « boules ») aux modèles complètement défilés équipés d’une lanterne recouvrant totalement la source et d’une vasque plane ne générant aucune diffusion propre, en passant par des modèles montés avec une inclinaison importante (typiquement 15°) et une vasque bombée génératrice d’une diffusion propre, laissant ainsi une partie importante du flux s’échapper au-dessus du plan horizontal, (image 22).

Des ajustements techniques possibles

Les données ajustables

Pour un même luminaire, le technicien peut jouer sur quelques paramètres afin de faire varier la photométrie au sol : changement du flux lumineux, hauteur de montage (hauteur du mât), espacement des mâts, inclinaison du bras ou de la lanterne, longueur du bras et saillie (figure 18).

Simulations

Afin d’offrir au lecteur la possibilité de « visualiser » un par un les effets de ces différents ajustements, des simulations ont été faites pour la variation de trois paramètres – les plus communément ajustés : flux, hauteur de feu, espacement – grâce au logiciel DIALux®, à partir d’un luminaire complètement défilé de marque Disano 1755 Monza avec verre plat (figures 19 à 21).

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