庄晓波1,3，朱华荣2，陆杰1,3
（1. 上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114；2. 上海亚明照明有限公司，上海 2018014；3. 国家电光源质量检验检测中心（上海），上海 201114）
【摘要】声、光、机、电、热是评价照明相关产品或系统的五个维度。除了光学性能（包括视觉和非视觉），健康照明的光品质还需考虑噪声、机械性能、电学性能、热学性能等非光学指标。本文梳理了与照明相关产品或系统的噪声、机械性能、电学性能、热学性能的标准最新进展，并对相应指标进行了解析和探讨。
【关键词】健康照明；光品质；标准；噪声；机械性能；电学性能；热学性能
引言
光在人类文明发展中具有不可或缺的作用，具有赋予人们安全感、获得感和幸福感的功能。随着技术的进步、社会的发展，人们对光的研究更加深入，特别是近年来健康照明的理念受到愈来愈多的重视，研究成果也已在不断融入实际应用之中[1]。健康照明的核心内涵就是以人为本[2]，面向健康照明的照明相关产品或系统不仅要考核光学性能（包括视觉和非视觉），还须符合声、机、电、热等维度的指标要求。本文梳理了与非光学相关的噪声、机械性能、电学性能、热学性能的标准最新进展，并对相应指标进行了解析和探讨。
1噪声
噪声是会损害或妨碍听觉、引起压力、影响注意力和工作效率，或者导致意外发生的任何令人不安或有害的声音。噪声对人的生理和心理都有影响，其中最明显的是损害听觉。至于非听觉方面的影响则有许多方面：干扰语言交谈、妨碍睡眠、引起烦恼和讨厌、产生不良的人体生理反应以及影响人的行为如工作效率等。正常人耳能听到声音的频率范围是20 Hz ~ 20 000 Hz。
长期的噪声暴露会使大脑神经调节功能出现失控现象，造成呼吸加快、心脏跳动剧烈、血压升高、血管痉挛，引发高血压等心脑血管疾病。噪声长期作用于机体可使大脑和丘脑下部交感神经兴奋，使肾上腺素分泌增加，心跳增强，耗氧量增加，心肌和左心室负担加重，从而危害心脏功能。噪声还能使唾液、胃液分泌下降，消化腺分泌减少，胃肠道蠕动减弱，括约肌收缩，减慢胃肠蠕动的排空速度，出现消化系统症状。噪声还能影响人的神经行为功能，产生疲劳和神经功能损害[3]。
有些照明产品在使用中可能会产生噪声，例如荧光灯的启辉器在启动时，高强度气体放电灯（High Intensity Discharge，HID）和电感镇流器工作时都可能产生噪声[4]；而电子镇流器或LED控制装置相对而言几乎是无声的，但调光时，尤其是深度调光时，设计和选材不合理就可能会使电感器件产生振动，发出嗡嗡声。虽然声音不大，但对一些噪声敏感的应用场所有影响，如音乐厅、教堂或老年人休息室等。噪声相关标准见表1。
表1 噪声相关标准
GB 3096—2008 《声环境质量标准》按区域的使用功能特点和环境质量要求，将声环境功能区分为5类：0类~4类。其中0类声环境功能区，指康复疗养区等特别需要安静的区域，要求最高，即昼间噪声≤50 dB(A)，夜间噪声≤40 dB(A)（昼间是指6：00 至22：00之间的时段；夜间是指22：00至次日6：00之间的时段）。
QB/T 2511—2016 《单端金属卤化物灯(钪钠系列)用LC顶峰超前式镇流器 性能要求》5.13条款要求在额定电压和额定频率下，镇流器与基准灯配套工作时，在距离镇流器边缘1000 mm处测得的噪声≤35 dB(A)。
GB/T 14044—2008 《管形荧光灯用镇流器 性能要求》第15章要求在背景噪声≤25 dB(A)的消音室内，将被测镇流器固定在测试铁板上，在距离镇流器引出线端面100 mm处测得的噪声≤35 dB(A)。
GB/T 9473—2022 《读写作业台灯性能要求》6.11条要求在离台灯底座中心轴上前方45º斜线100 mm处、灯罩前方下缘中心100 mm水平距离处或独立式控制装置正上方100 mm处测得的噪声≤25 dB(A)。对于调光/调色灯具，还应在最大和最小功率状态下进行测试。
WH/T 41—2011 《舞台灯具通用技术条件规定》对于室内使用的灯具应符合以下要求：
具有驱动机构的灯具：工作状态时的最大噪声应不大于60 dB（A）；
无驱动机构但带有风机的灯具：工作状态时的噪声应不大于50 dB（A）。
相应的试验方法：测试环境为半消音室；将灯具正常安装，在地板上可移动的灯具应置于厚度为15 mm～25 mm的木板上，测量灯具正常工作状态时距离灯具尾部中心水平线1 m点处所产生的噪声。
能源之星Program Requirements Product Specification for Lamps (Light Bulbs) Eligibility Criteria Version 2.1和Program Requirements Product Specification for Luminaires (Light Fixtures) Eligibility Criteria Version 2.0要求对于标记为可调光的球泡灯和灯具，对其最大、最小和20%光输出的三种状态下，在距离1 000 mm处测得的噪声≤24 dB(A)。依据的测试方法是Program Requirements For Lamps and Luminaires Test Method – Noise。
GB 50118—2010 《民用建筑隔声设计规范》给出了住宅、学校、医院、旅馆、办公和商业建筑等六类建筑中主要用房的室内允许噪声级和室内噪声级的测量方法，并采用A声级来规定允许噪声级。
JGJ 450—2018 《老年人照料设施建筑设计标准》规定了生活用房（包括居室和休息室）、文娱与健身用房、康复与医疗用房的噪声允许值，其中居室的昼间噪声≤40 dB(A)，夜间≤30 dB(A)。
机械性能
照明设备，尤其是灯具应有足够的机械强度，其结构应使灯具在正常使用中承受可能的外力，或粗糙搬运后仍然安全，不会轻易地变形或损坏，以致带电部件的裸露或其他安全问题。同时灯具也要有足够的悬挂强度、抗风力强度和耐腐蚀能力。灯具的机械强度不够所引起的安全隐患形式多样：如灯具的外壳强度不够，外壳可能在安装使用期间变形、破损，造成人员伤害；而金属外壳变形会导致带电部件与外壳的爬电距离减小，造成触电事故，致使人员伤亡；再如灯具的光源腔或反射器变形后，会影响灯具配光，导致照明效果无法达到预期而产生安全隐患；又如悬挂灯具的支承件疲劳断裂，会导致灯具高空坠落砸伤路人等[5]。
灯具的机械性能包括外壳机械强度、灯具的悬挂、固定和调节装置、灯具的抗振、外部接线端子和导线的机械防护等方面。相关的试验有扭矩试验、冲击试验、直试验指试验、跌落试验、滚筒试验、载荷试验（包括静态荷载试验、剪力试验等）、碎玻璃试验、振动试验、软线固定架试验以及锐边试验等，相关标准见表2。
表2 机械性能相关标准
对于机械碰撞的防护等级（IK代码），GB/T 20138—2023根据冲击能量的大小分为IK00~IK11，见表3。GB/Z 30418—2013规定了IK代码在灯具应用的试验要求，对于IK06及以下的冲击能量，应使用弹簧锤进行试验；对于IK07及以上的，可以使用摆锤或落锤。试验所使用的锤头应使用符合GB/T 2423.55规定的半径和材料。
表3 IK代码和冲击能量
由于IK代码与IP等级（防粉尘、防固体异物和防水等级）一样，比较直观，沙特的SASO 2927:2019 《Lighting Part III (Street Lighting) 》和澳洲的SA/SNZ TS 1158.6:2015 《Lighting for roads and public spaces Part 6: Luminaires-Performance》都已对路灯的IK代码提出要求，正在起草中的多份IEC标准也将IK代码作为一个独立的技术指标提出，尽管GB/T 7000.1—2023的表4.3对各种灯具的外壳防冲击能量已有规定。
对于振动，恶劣条件下使用的灯具，应具有良好的防振性能，才能避免正常工作中可能发生的松动以及脱落所造成的危害。GB/T 7000.1、GB/T 2423.10和ANSI C136.31都对振动试验的频率、加速度、扫频时间和振动次数做出了规定。GB/T 24827—2015 《道路与街路照明灯具性能要求》要求路灯在3个互相垂直的轴（x，y和z）上用5 Hz ~ 30 Hz扫频，寻找并确定共振频率，并根据灯具的应用场所和外壳材料确定振动加速度（如用于桥梁的压铸铝路灯的振动加速度为3 g），然后在每个平面按振动加速度和共振频率经受10万次振动。而GB/T 7256.1—2022 《民用机场灯具一般要求》要求灯具应先在20 Hz ~ 500 Hz整个频带上经受振动，最大加速度为10 g；然后再从500 Hz ~ 2000 Hz频带上经受振动，最大加速度为15 g，每一次振动扫频持续10 min。振动后任何部件的机械损伤、任何零件或紧固件的松动、试验电路的断开或灯泡在灯具内有位移，均视为不合格。
对于抗风，GB 7000系列标准采用静态载荷试验来模拟风压，对灯具最严酷表面依据式（1）计算而得的载荷进行试验。
（1）
式（1）中，F是载荷；Rh是空气密度；S是承受载荷的面积；Cd是拖动系数（由表面形状而定）；V是风速。
GB 7000.7—2005 《投光灯具安全要求》对用于室外地面上方的投光灯具，要求其投影面上应耐受150 km/h的风速，且要求安装在3 m及以上高度的投光灯具应有附加的防护。GB 7000.203—2013 《灯具 第2-3部分：特殊要求 道路与街路照明灯具》对路灯依据高度提出抗风要求，8 m以下，应耐受163 km/h的风速，超过8 m不超过15 m的应耐受188 km/h的风速，而高度超过15 m的路灯应耐受205 km/h的风速。
电学性能
3.1 电磁兼容
随着科学技术的不断发展，信息控制技术和微电子元件或组件在照明设备中的应用日益广泛，照明设备中注入了新的功能，从原先的单一照明功能发展到多功能的控制、调节、保护、信息传递等。在日趋复杂的电磁环境下，照明设备受静电放电、射频/工频电磁场、浪涌、电快速瞬变/脉冲群、电压波动等电磁骚扰的影响风险越来越大，这将导致照明设备信息传递错误、动作失误、工作异常等现象[6]。
为了使照明设备在越来越严酷的电磁环境中能正常工作，各类产品应符合相应的电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）标准要求，见表4。电磁兼容，就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响，即达到“兼容”状态。EMC包括两个方面：电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）和电磁抗扰度（Electro Magnetic Susceptibility，EMS）[7]。EMI又可分为无线电骚扰、谐波、电压波动和闪烁。EMS也可分为传导抗扰度和辐射抗扰度，其中GB/T 18595—2014 《一般照明用设备电磁兼容抗扰度要求(IEC 61547:2009, IDT)》引用了如下的7种试验要求：
静电放电（ESD）：GB/T 17626.2—2018 (IEC 61000-4-2:2008, IDT)；
辐射抗扰度(射频电磁场)（RS）：GB/T 17626.3—2023 (IEC 61000-4-3:2020, IDT)；
工频磁场（Power Magnetic）：GB/T 17626.8—2006 (IEC 61000-4-8:2001, IDT)；
电快速脉冲群(快速瞬变)（EFT）：GB/T 17626.4—2018 (IEC 61000-4-4:2012, IDT)；
传导抗扰度(注入电流)（CS）：GB/T 17626.6—2017 (IEC 61000-4-6:2013, IDT)；
浪涌（Surge）：GB/T 17626.5—2019 (IEC 61000-4-5:2014, IDT)；
电压暂降及短时中断（Voltage Dip）：GB/T 17626.11—2023 (IEC 61000-4-11:2020, MOD)。
而EMF（对人体的电磁辐射）的依据标准是GB/T 31275—2020 《照明设备对人体电磁辐射的评价(IEC 62493:2015, IDT)》，该标准适用于人体暴露于照明设备电磁辐射的评估。评价包括频率介于20 kHz ~ 10 MHz之间的感应电流密度和照明设备周围频率介于100 kHz ~ 300 MHz的比吸收率（SAR）[8]。
EMF在欧洲是低电压指令（Low Voltage Directive，LVD）下面的测试标准，所以一般归类于安全标准。但从原理来看，EMF是辐射类的骚扰标准，属于EMI范畴。
表4 EMC相关标准
中国国家认证认可监督管理委员会发布的CNCA-C10-01:2014 《强制性产品认证实施规则 照明电器》规定了电源电压大于36 V不超过1 000 V的固定式通用灯具、嵌入式灯具、可移式通用灯具、水族箱灯具、电源插座安装的夜灯、地面嵌入式灯具、儿童用可移式灯具；以及镇流器和LED控制装置等12类产品除了满足安全要求外，还应符合GB/T 17743和GB 17625.1的电磁兼容要求。
GB/T 9473—2022 《读写作业台灯性能要求》规定台灯除了满足无线电骚扰和谐波的要求外，还应符合EMF要求，这是考虑到台灯使用时离人较近，为保护暴露在电磁场中的人体头部和躯干的中枢神经系统组织，尤其是装有心脏起搏器的病人，减少其对人体造成的影响而做出的限值。
CQC 12-465313-2016 《灯具安全与电磁兼容认证规则》要求LED路灯除了符合无线电骚扰和谐波的要求外，还应满足线-线：±1.0 kV，线-地：±2.0 kV的浪涌要求，这是考虑到装在高处的路灯，尤其是大桥或高架桥上，防止雷击时感应出高电压（即浪涌）对路灯电路产生破坏。如果对于某些要求更高的场合，如雷暴日多的沿海城市，或者电网有感性负载（如大型电动设备、电弧焊接设备）等，则需外接专门的浪涌电压保护器(Surge Protective Device，SPD)[9]。
此外，带通信功能的智能照明产品还应符合相应频段的电磁兼容标准要求，如欧盟电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）发布的ETSI EN 300328 V2.2.2《Wideband transmission systems; Data transmission equipment operating in the 2,4 GHz band; Harmonised Standard for access to radio spectrum》。
3.2 功率因数和变位系数
功率因数（Power Factor，PF）是灯具的一个重要的技术数据，表示了灯具所消耗的有功功率与其视在功率的比值，功率因数是衡量用电设备的接入影响电网供电设备效率高低的一个系数，用λ表示[9]。有功功率代表一电路在特定时间作功的能力，而视在功率是电压和电流有效值的乘积。
（2）
变位系数（Displacement Factor，DF）用COSΦ1表示，Φ1是电源电压基波和电源电流基波之间的相位角。式（2）表示了功率因数、变位系数和THD之间的关系；其中总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）根据GB 17625.1由电流谐波量化得出。电流的各次谐波和THD之间的关系为：
（3）
式（3）中，In是n次谐波电流分量有效值；I1是基波电流有效值。
关于功率因数（PF）和变位系数（DF）的区别，对于一个无谐波的正弦波电路，二者是等同的；但当电路中存在谐波，PF要小于DF。当DF比较小，采用功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术可有效提高电路效率；而当DF高、PF小，PFC技术可能毫无帮助。故DF是衡量相位差和功率因数校正性能的良好指标，而PF更适合在存在谐波的情况下评估整体效率。
关于功率因数的大小要求，GB 50582—2010 《室外作业场地照明设计标准》要求室外照明线路的功率因数≥0.9；GB/T 50034—2024 《建筑照明设计标准》要求荧光灯功率因数≥0.9，高强气体放电灯灯具功率因数≥0.85，LED灯具功率因数≥0.9；GB/T 31831—2015 《LED室内照明应用技术要求》要求实测功率≤5 W的LED灯具的功率因数≥0.5，实测功率＞5 W的LED灯具的功率因数≥0.9。
关于变位系数的大小要求，GB/T 24823—2017 《普通照明用LED模块 性能要求》推荐标称功率≤2 W的模块的变位系数不做要求，标称功率≤5 W的模块的变位系数≥0.4，标称功率≤25 W的模块的变位系数≥0.7，标称功率＞25 W的模块的变位系数≥0.9。欧盟ErP（Energy-related Products）指令中的(EU)2019/2020《光源与独立控制装置生态设计要求》规定对输入功率≤5 W的光源的变位系数不做要求，对5 W＜输入功率≤10 W的光源的变位系数≥0.5，对10 W＜输入功率≤25 W的光源的变位系数≥0.7，对输入功率＞25 W的光源的变位系数≥0.9[10]。
热学性能
在正常工作的条件下，灯具的任何部件、灯具内的电源接线或者安装表面都不应达到危害安全的温度。GB/T 7000.1—2023 《灯具 第1部分 一般要求与试验》的表12.1和表12.3分别给出了正常工作和异常工作下灯具各主要部件的最高温度，如需操作的可调节部件的金属部件不应超过60 ℃，非金属部件不应超过75 ℃等。另外，徒手可触及、操作、调节或夹持的部件，都不应过热。与此同时，灯具也不应使照射物体过分受热；导轨安装的灯具不应使导轨过分受热。
对于传统灯具而言，由于使用的白炽灯、卤钨灯和各种气体放电光源均属于热光源，本身就会发热，再加之配套使用的镇流器、触发器和电容等电子元器件均会在工作时产生热量，因此控制好各部件温度，对灯具的使用具有重要意义。同时，由于光源的发光特性与冷端温度息息相关，灯具的热学性能对其有正面或负面的影响[9]。如对于直管荧光灯具来说，散热不好会使灯具内的环境温度升高，光源的冷端温度随之上升，光效下降，严重时甚至寿命缩短。而对于HID光源来说，要有足够高的冷端温度使得电弧管中的金属卤化物能充分参与放电，提升光效和显色性。环境温度太低，HID光源难以启动；环境温度过高，灯具散热不好，虽然环境温度对HID的冷端温度影响不大，当HID偏离最佳工作温度，其光效、显色指数和色温都会产生漂移。因此，如表5所示，GB/T 18661—2020 《金属卤化物灯（钪钠系列） 性能要求》规定了各种类型的金卤灯玻壳和灯头的最大允许温度，测量按照GB/T 13434规定的方法进行；GB/T 14094—2016 《卤钨灯（非机动车辆用）性能要求》规定了各个规格卤钨灯的玻壳最小允许温度和压封部位最大允许温度，玻壳温度的测量方法按照该标准的附录D进行，压封部位温度按照GB/T 20145规定的方法进行。需要说明的是，规定玻壳的最小允许温度是为了保证卤钨循环，为了使管壁处生成的卤化钨须处于气态，管壁温度要比普通白炽灯高得多；相应地，卤钨灯的泡壳尺寸就小得多[11]。
与传统灯具相比，LED光源，其本身是冷光源，发光光谱主要是可见光，这部分光辐射不会产生大量的热。但随着大功率LED的广泛应用，LED从之前的毫瓦级上升至瓦级乃至百瓦级，且发光芯片体积小，热流密度非常大，其产生的热量已严重影响LED的性能，包括启动性能、光输出、色温以及寿命等。而LED结温是评估LED灯具热学性能的一项重要指标，在不断提高LED芯片本身的发光效率降低自身热阻的同时，通过合理优秀的散热设计降低LED结温尤其重要。对于LED结温，目前主要沿用电子元器件的热测试方法，依据的是美国电子器件工程联合委员会（JESD）的JESD 51系列标准；但由于LED热测试相对于电子器件有其自身的特殊性，相关的测试原理较多[12]，CIE 225、IES LM-85和T/CSA 047等标准分别给出了LED芯片的热阻和结温的测试方法。T/CALT 001—2014 《LED灯具结温的测量方法》利用LED器件在工作时其正向压降与结温的关系基本是线性的原理，首次给出了LED灯具结温的测试方法，可以在短时间内定性地评判LED灯具的使用寿命，填补因工期紧而无法进行寿命试验的空白。GB/T 39928—2021 《LED灯丝灯 性能要求》采纳了该测试方法，并以附录A（LED灯丝灯结温的测量方法）给出。
表5 热学相关标准
小结
后疫情时代，人们更加重视潜在的、对健康产生影响的环境因素，这为健康照明的进一步发展提供了契机。同时，我们也应看到，健康照明技术远未成熟，在基础研究和应用方面均存在大量科学和技术难题亟待解决[13]。本文综述了与光品质相关的噪声、机械性能（包括IK代码、振动、抗风等）、电学性能（包括EMI、EMS、EMF、PF和DF等）、热学性能（包括结温、热阻、主要部件温度等）的标准最新进展，希冀面向健康照明的各类应用实践不但要关注光学性能，还应兼顾声、机、电、热等方面的要求，从而有助于提升家庭生活品质和城市公共照明管理，赋能百姓创造更美好的生活。
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本文转载自《照明工程学报》，发文日期2024年6月
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