Материал: МРБ 1117. Галеев Б.М. и др. Светомузыкальные инструменты

А если смотреть шире, то выбирать источники света при создании ВОУ следует по следующим основным признакам: по характеру излучения и его цветовым характерис­тикам; роду используемого тока; значению номинального напряжения U_ном; значе­нию мощности Р_пом (и связанного с ней светового потока Ф_ном); световой отдаче ф (т. е. отношению светового потока Ф к затрачиваемой для его получения электри­ческой мощности Р); вольт-амперной характеристике; инерционности; габаритам и форме светящегося тела (и связанной с этим кривой силы света). Следует также учи­тывать необходимость в пускорегулирующей аппаратуре и ее сложность, характер из­менения светового потока от изменения напряжения (или тока), способы и пределы управления световым потоком, изменение цветовых характеристик при управлении световым потоком.

Для характеристики распределения мощности излучения по спектру используют масштабное отображение (чаще всего в относительных величинах) мощности излуче­ния F_л на той или иной длине волны (или в интервале волн ДЛ.).

Лампы накаливания - самые дешевые и распространенные источники света, имеют более тысячи наименований, различающихся по напряжению, мощности, габаритам, форме баллона, наполняющему их газу, формам цоколя и нити накала. Они не тре­буют специальной пускорегулирующей аппаратуры и почти все могут работать в лю­бом положении. Средняя продолжительность работы Н = 1000 ч. Нить накала некото­рых ламп близка к точечной и может быть выполнена в виде сплошного светящего прямоугольника (кино- и прожекторные лампы). Световой поток можно регулиро­вать от нуля до максимума изменением напряжения питания V. Характер изменения параметров Р, I, Ф, ф, Н от напряжения U нелинейный (рис. 12).

Нелинейность электрических характеристик объясняется тем, что нить накала ме­няет свое сопротивление от температуры (у холодной лампы оно в 8-14 раз меньше, чем у горящей). С этим, кстати, связано явление броска тока при включении лампы. У ламп небольшой мощности нить невелика и нагревается быстро, в доли секунды (0,2 - 0,5 с). При включении же мощных ламп с массивной спиралью это время может достигать секунды.

Еще большая нелинейность световых характеристик объясняется законами тепло­вого излучения, согласно которым суммарный поток излучения (а значит, и света в видимом диапазоне) увеличивается от температуры в степенной зависимости. Особенностями теплового излучения объясняются и некоторые другие свойства лампы нака-ливания: малый энергетический КПД лампы, излучающей в видимой части спектра лишь 10% своей энергии; среднее значение световой отдачи Ф равно всего 13 лм/Вт [Максимальное значение Ф для идеального источника равно 683 лм/Вт. Для ламп накаливания предел ф = 50 лм/Вт, а реальный верхний уровень, достигнутый современ­ными лампами накаливания с галогенным циклом, равен лишь 25 — 30 лм/Вт.] ; сильное нагревание (более 100° С) баллона; большая разница в значении мощности излучения Р_х для красной и синей части спектра (рис. 13). И, наконец, главный недос-таток - это изменение спектрального состава излучения лампы при изменении напря-жения питания ("покраснение" свечения при уменьшении напряжения). Объясняется эхо тем, что максимум излучательной способности нити накала при разной температу­ре Т приходится на разную длину волны Л_макс.

Несмотря на эти недостатки (многие из которых, кстати, можно в определенной мере скомпенсировать), лампы накаливания остаются пока основными источниками света для любительского светомузыкального конструирования. Поэтому полезно бо­лее подробно ознакомиться со всеми другими специфическими особенностями этих, казалось бы несложных, устройств для преобразования электрической энергии в све­товую.

Например, если поставлена задача получить ВОУ с малой инерционностью источни­ков света, то лучше всего подойдут обычные осветительные сетевые лампы на напря­жение 127 и 220 В. Если наоборот, необходимо, чтобы включение и выключение проис­ходило с некоторой задержкой, более плавно, то для этой цели лучше всего подходят низковольтные лампы, с толстой нитью. С уменьшением номинального напряжения связана и возможность уменьшения длины этой нити, т. е. приближение источника све­та к точечному. Из обычных сетевых ламп меньшие размеры нити у би спиральных. Для получения общей равномерной засветки экрана можно применять лампы с мато­вой колбой. Экономичны лампы с зеркальным (или матовым) отражающим покры­тием, нанесенным на баллон вблизи цоколя; они излучают - в телесном угле 80° вдоль оси не менее 50% всего светового потока.

Рис. 13. Распределение энергии излучения в спектре семейства газонапол­ненных ламп накаливания

Применяемые обычно в быту лампы общего назначения разделяют на следующие группы: В — вакуумные, Г — газонаполненные, Б - биспиральные, К - биспираль-ные криптоновые. Эти лампы на напряжение 127 и 220 В имеют такую шкалу мощноо х-ей: 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 1500 Вт (до 300 Вт цоколь Е-27, более 300 Вт - Е-40).

Кроме этого, выпускают лампы транспортные и специального назначения, среди которых можно найти источники света не только разной мощности, но и на разное на­пряжение питания, что особенно важно при использовании БУМ на транзисторах. Это лампы низковольтные местного освещения - МО, железнодорожные - Ж, судовые -С, автомоблльные и тракторные - А, самолетные - СМ, прожекторные - ПЖ, кино­прожекторные - КПЖ, кинопроекционные - К, для маяков - ММ, сигнальные - СГ, миниатюрные низкого напряжения - МН и т. д. В мощных установках, предназначен­ных для подсветки зданий и для светозвуковых спектаклей на открытом воздухе, перспективно использование зеркальных ламп ЗК, ЗС и ЗШ, а также галогенных ламп с йодным циклом - КИ, КГ, КГМ, КИМ.

По конструктивному исполнению лампы накаливания различают по виду цоколя (резьбовой, штифтовый и т. д.). Например, Е-27 - резьбовой, диаметром 27 мм; 2Ш-15-штифтовый, диаметром 15 мм, двух контактный; 1Ф-С-22 - фокусирующий, секторный, диаметром 22 мм, одноконтактный.

Характеристики всех ламп накаливания, как, впрочем, и других, можно найти в специальных каталогах, например СИ-4 ("Светотехнические изделия"), и справочни­ках [28].

Люминесцентные лампы обладают большей, чем лампы накаливания, светоотдачей Ф (40 — 60 лм/Вт), имеют хорошие цветовые характеристики, но неудобны для приме­нения в СМИ из-за больших размеров и трудности управления яркостью. Последнее свойство присуще и ксеноновым лампам, хотя близость по спектру их излучения к сол­нечному свету, большая яркость при малых габаритах и делают притягательным их применение в СМИ. Конструкторы находят выход, используя их в мощных СМИ с опти-комеханическим регулированием яркости.

Для некоторых специальных световых эффектов в СМИ используют и импульсные газоразрядные лампы в режиме одиночных вспышек или стробоскопическом. Более полные сведения об этих источниках света представлены в [24, 25, 28].

Подробнее остановимся еще на одном источнике света, получившем в последнее время большое распространение в СМИ. Речь идет о лазерах, у которых излучение, ин­дуцированное внешним энергетическим воздействием, в отличие от излучения обычных источников света, когерентное (т.е. согласованное по фазе и направлению). С этим свойством связана монохроматичность излучения лазера и возможность концентрации света в узкий луч. Для получения индуцированного излучения создается активная сре­да - ею может служить твердое тело или газ. Активную среду твердотельных лазеров возбуждают импульсными газоразрядными лампами. Такие лазеры работают в основ­ном в импульсном режиме. В непрерывном режиме работают газовые лазеры. Здесь активную среду возбуждают генерированием электрического разряда в газе, при этом происходит последовательное индуцированное излучение уже когерентного света.

Коэффициент полезного действия твердотельных лазеров 1-2%, а у газовых дости­гает 25 %. Газовые лазеры даютизлучение различного цвета: аргоновый - синий (488 нм) и зеленый (514,5 нм); гелиево-неоновый - красный (632,8 нм). Красный свет излу­чает также лазер на криптоне. Именно эти лазеры пригодны для использования в ВОУ.

Следует иметь в виду, что разработчиков ВОУ лазеры пока привлекают не тем, что их когерентное излучение позволяет получать объемные изображения. Техника голо­графии, особенно для многоцветного подвижного изображения, вообще разработана еще весьма слабо. Да и нет для светомузыки принципиальной необходимости иметь именно объемное изображение. (Хотя можно наметить интересные направления -синтезирование искусственных голограмм с помощью ЭВМ и съемка их мультспособом, что позволит получать несуществующие в природе фигуры и движения.) И теат­ральная светотехника, и светомузыка используют пока лазер лишь в качестве "фона­ря". Правда, фонарь этот - со 100%-ной чистотой цвета и очень ярким узким лучом. И уже эти свойства сами по себе рождают броские, запоминающиеся эффекты - в ярком луче светится сам воздух (пылинки в нем, дым). А если пустить луч между зеркалами в объеме зала, все пространство заполнится паутиной стремительных линий.

Кроме того, свойство когерентности лазерного излучения проявляется для зрите­ля в том, что свет при отражении от экрана имеет своеобразную подвижно-зернистую структуру, похожую на переливающееся марево. Объясняется это явление сцинтил­ляции дифракцией и интерференцией света при отражении от поверхности экрана. Размер необычно мерцающего пятна можно регулировать помещением на пути луча отрицательных или положительных линз. Если лазерный луч неподвижен, он высвечи­вает на экране яркую точку, а при быстром движении вычерчивает тонкую линию (для этого достаточно управлять небольшим зеркальцем от руки). Интересный эффект по­лучается при дополнительной модуляции яркости луча сигналом высокой частоты -линия распадается в штриховой рисунок. Этот прием можно применять также при ос-циллографической развертке луча, когда причудливые фигуры Лиссажу на большом экране превращаются в своеобразное ажурное кружево.

Можно использовать лазерный луч и в телевизионных системах воспроизведения. При этом необходимо учитывать, что в результате развертки световой поток лазера распределяется по площади, в миллионы раз превышающей площадь пятна от луча, а значит, экран не будет очень ярким. Например, для аргонового лазера с мощностью излучения 1 Вт (а это довольно мощный лазер) световой поток будет равным 300 лм. Если площадь экрана 3 X 3 м, коэффициент яркости 1, то, даже если допустить, что коэф­фициент полезного действия оптической системы равен 100%, яркость экрана не пре­высит 10 кд/м² (а это в несколько раз меньше нормы яркости экрана кино и теле­видения) .

Так же, исходя из распределения светового потока на экране, следует подсчитывать яркость изображения при управлении лазерного света просвечиванием преломляющих оптических сред (куска стекла, кристаллов, натеков прозрачных смол, кюветы с жид­костью и т. д.). При плавном перемещении этих оптических формообразователей на эк­ране появятся подвижные образы, причем с большим количеством полутонов, создаю­щих впечатление объемности изображения. Интересные эффекты получаются при про­пускании лазерного луча через дифракционную решетку, с распределением луча в про­странстве с помощью волоконной оптики. При необходимости управлять интенсив­ностью лазерного луча можно применять оптические клинья или (в системах с раз­верткой луча) модуляторы с использованием поляризационных световых клапанов. Большие перспективы открываются при освоении возможностей так называемого ла­зерного кинескопа, изобретенного советскими учеными.

Но во всех случаях использования лазера - это надо запомнить - необходимо исклю­чить попадание луча, прямого или отраженного от зеркала, в глаза зрителей и исполни­телей. Особую осторожность надо соблюдать при экспериментах в ходе конструирова­ния лазерного СМИ.

Как мы видим из этого краткого обзора, лазер можно использовать в несколь­ких режимах формирования визуальных объектов - проекция самого источника све­та, наблюдение объекта в отраженном свете, проекция на просвет, как это показано на рис. 6, а-в. Для обычных же источников света основным является вариант в, в различных его модификациях представленный на рис. 7. Рассмотрим эти способы со­здания и использования формообразующих элементов в отдельности.

Если между источником света и экраном поместить непрозрачный предмет, то на экра­не возникает теневое изображение данного предмета. Конечно, теневая, или, как ее еще называют, транспарантная проекция, основанная на подобном принципе (в отли­чие от диапроекции и эпипроекции, использующих линзовую оптику), не позволяет получать на экране четких изображений. Но возможностями этого простого в понима­нии и доступного в конструктивном решении способа формообразования отнюдь не следует пренебрегать.

Размеры тени А, как видно из рис. 14, зависят от расстояния между лампой и тра­фаретом следующим образом: A /a =L/l.

При малых l любое незначительное перемещение трафарета относительно источни­ка света (или наоборот) вызывает заметные изменения размеров тени и ее движения. Степень размытости краев тени "зависит от того, насколько близок источник света к точечному, т.е. насколько малы размеры светящей поверхности. Если размеры этой поверхности значительны, края изображения на экране будут размытыми. Особенно большой и заметной становится зона полутени при смещении источника света к тра­фарету.

Если нить накала имеет сложную форму и большие размеры, на экране могут воз­никать очень интересные полутени неожиданной конфигурации, причудливо меняющи­еся от вращения и покачивания лампы. Но наблюдаемый процесс формообразования почти не поддается управлению, так как характер изменения форм жестко связан с конструкцией лампы. Однако, имея набор ламп с разными нитями, конструктор мо­жет выбирать необходимую, зная, какой световой эффект достигается от каждой из них. Только при использовании ламп с точечной нитью теневые эффекты предсказуе­мы и повторимы в любых условиях.

Особенно сильное искажение теней наблюдается при применении ламп с отражате­лем или с зеркальным покрытием на колбе. В некоторых случаях, при работе в режи­ме рис. 7, б, для увеличения степени причудливости получающихся теневых форм конст­рукторы сознательно выбирают такие лампы, причем с заведомо неточечной нитью. Американский светохудожник Т. Уилфред сам изготавливал лампы с особыми фигур­ными нитями.

Трафареты теневой проекции по своей конструкции могут быть самыми разнооб­разными (рис. 15). Все они основаны на общем принципе наложения теней. Цилиндри­ческие (или конические) барабаны 2 с прорезями изготавливают из жесткого непро­зрачного листового материала (дюралюминиевая фольга, бумага, электрокартон и т.п.) или из прозрачных пластиков и стекла, на которые наносят графический рисунок (рис. 15, а-е). Источники света 1 устанавливают или внутри барабана, или вне его - з этом случае свет проходит через трафарет дважды, что позволяет получить при вращении барабана встречное перемещение теней. Но, разумеется, тени от ближней к лампе зо­ны барабана будут очень размытыми и рисунка проекции они не определяют. Ось вра­щения может быть как горизонтальной, так и вертикальной, в зависимости от жела­емого направления движения теней. Для простоты условимся неподвижный трафарет 3 называть далее статором, а подвижный 2 - ротором.

На рис. 15, ж показано, как формирует изображение дисковый ротор 2 в сочетании со статором 3. Интересный эффект получается при одновременном просвечивании та­кого трафарета несколькими источниками света, одного или разных цветов. Разнооб­разия и неповторяемости теней достигают совмещением двух вращающихся дисков (рис. 15, з иллюстрирует оба этих приема). Направление вращения дисковых рото­ров 2 чаще всего выбирают встречным. Если расстояние между дисками сделано мини­мальным, то резкость теневых изображений от каждого из трафаретов почти одинако­ва. Следует учесть, что при одной и той же угловой скорости линейная скорость движу­щихся теней будет различной: чем дальше от оси вращения, тем больше скорость. Частота вращения дисковых трафаретов (да и барабанных тоже) должна быть очень небольшой - 0-,5 -3 мин^-1. Для этой цели можно использовать любой редуктор с фрик­ционной, зубчатой или червячной передачей. Электродвигатели помещают или на оси вращения, или у края дисков (барабанов).

Рис. 14. Схема транспарантной проекции

Фигурные отверстия в трафаретах высверливают или выпиливают по разметке, а в картонных или бумажных - выжигают или вырезают. При изготовлении плоских трафаретов эффективен такой метод — стекло покрывают непрозрачной краской, ко­торую затем снимают по контуру изображения. Если на стекле надо что-то нарисовать акварельными красками или тушью, его поверхность покрывают впитывающим слоем, например желатины или прозрачного цапонлака. Удобны для этой цели фотопластинки, обработанные в закрепителе.

Если возникают затруднения с высверливанием в стекле отверстия под ось враще­ния, то в центре диска приклеивают переходную втулку, которую насаживают на ко­нец оси.

Дисковые и барабанные трафареты получили самое широкое распространение у раз­работчиков светоинструментов. Опыт показывает, что оптимальным является совме­щение этих методов, что, кстати, подтверждается многолетней практикой их исполь­зования в театре [Бронников А. Театральные световые эффекты. — М.: Искусство, 1962, с. 61-62.].

Диапроекция предполагает наличие уже специальной аппаратуры. Изготовить ее в любительских условиях довольно сложно, да, вероятно, и нецелесообразно. Существу­ет большое число разновидностей фильмоскопов, диапроекторов ("Этюд", "Свет", ЛЭТИ, "Протон", "Альфа", "Свитязь", "Диана", "Пеленг", "Киев") и кинопроекторов, которые после небольших переделок могут быть использованы в качестве ВОУ светому­зыкальных устройств.

Принцип диапроекции объясняет рис. 16.

Размеры диапозитива а и изображения на экране Л связаны друг с другом соотноше­нием : а/А =f₀ /L.

В зависимости от того, что является исходной величиной, можно определить или раз­мер А при заданном L, или при этих известных длинах требуемое фокусное расстояние f₀ объектива.

В светомузыкальных устройствах вместо неподвижного диапозитива в фильмовом канале помещают подвижные трафареты, которые в отличие от трафаретов теневой про­екции могут быть не только графическими и контурными, но и со всеми возможными светотеневыми переходами. Примеры их размещения между конденсором и объекти­вом представлены на рис. 17.

Рис. 15. Разные виды теневых светоэффектных проекторов

В системе на рис. 17, а ось вращения трафаретов совпадает с оптической осью: тра­фарет закрепляют внутри охватывающего его кольца. Один диск-трафарет может рабо­тать на четыре оптические системы (рис. 11,6). В системе на рис. 17,г плоские трафаре­ты совершают встречно-поступательные колебательные движения, а на рис. 17,в трафа­рет в виде бесконечной ленты перематывается вокруг двух валов. Варианты на рис. 17,д и е являются диапроекционными аналогами теневых проекторов на рис. 15,а и ж.

При использовании диапроекции особенно перспективно применение стеклянных трафаретов с изображением, полученным посредством фотомонтажа. Для этого на лист картона наклеивают фотоснимки минералов, жидких кристаллов, звездного неба, фра­гменты репродукций абстрактных картин, орнаменты и т. д., объединенные в компози­ционно цельную последовательность. Этот коллаж переснимают на фотопленку, из кото­рой затем и вырезают трафарет. Очень своеобразный эффект муара получается при нало­жении пленок с растровыми рисунками - точечными или линейными (обычно использу­емыми в полиграфии или так называемом оптическом искусстве). "Муаровый эффект" проявляется как появление крупных симметричных скоплений элементов мелкого ра­стра. Вы сами сможете наблюдать его, двигая два сложенных вместе куска мелкосетча­той капроновой ткани.

Своеобразный эффект при диапроекции создают и рельефные трафареты, изготов­ленные из прозрачных материалов с неровной поверхностью, например декоративного стекла или литого пластика с ячеистой структурой поверхности.

Рис. 16. Схема диапроекции

Рис. 17. Варианты расположения подвижных трафаретов при диапроекции

В некоторых светомузыкальных устройствах используют набор плоских кювет с прозрачной жидкостью, в которую в необходимый момент вспрыскивают краситель (тушь, аналин, чернила), что позволяет получать на экране разного рода взрывоподоб-ные картины. Особый эффект создает взаимодействие несмешивающихся цветных жидкостей. Как и во всех предыдущих случаях изображение на экране относительно диапозитива воспроизводится в перевернутом виде.

При работе с жидкостями удобнее преобразовать проектор в перископ, чтобы кюве­та находилась в горизонтальном положении (рис. 18). В этом случае оператор может свободнее управлять состоянием "жидкого диапозитива". Смешивая разные красите­ли, реактивы, окрашиваемые при соединении, или химикаты, заставляющие жидкость "кипеть", подгоняя вращение жидкости в кювете тонкой струей (из медицинского шприца), можно получить удивительные световые образы. Проекторы такого типа вы­пускаются серийно ("Полилюкс", "Лектор-2000").

В этих приемах проявляется стремление иметь диапозитив с рисунком, меняющим­ся по желанию исполнителя. Однако возможности описанных выше методов, как это очевидно, довольно ограниченные. Но инженеры нашли оригинальный способ, позво­ляющий получать в буквальном смысле "живой" диапозитив, изменяемый в очень ши­роких пределах. Этот диапозитив изготавливают из веществ, которые меняют свои оптические свойства под действием электронного или ультрафиолетового луча. Диапо­зитив помещают, как обычно, поперек оси оптической системы. Под небольшим углом к оси на него направлены электронные прожекторы (такие же, как в кинескопе) или ультрафиолетовый лазер. Точка на диапозитиве, на которую падает луч, перестает пропускать свет, но стоит луч убрать, как она становится снова прозрачной, - имен­но поэтому такую технику называют светоклапанной. Сканируя последовательной раз­верткой луча поверхность диапозитива и модулируя луч, можно получить любое жела­емое изображение. По такому принципу работает большинство проекционных телеви­зоров. Конечно, радиолюбителю не под силу создание подобного проектора, но более простые системы светоклапанного управления, прежде всего с использованием поля­ризованного света, вполне доступны для школьных, а тем более вузовских лабора­торий.