Chapitre 09 · Sujet 1 sur 4
Les grandeurs photométriques
Flux lumineux, intensité, éclairement, luminance, efficacité, température de couleur et rendu des couleurs : les grandeurs qui décrivent la lumière.
Niveau 1
L'essentiel
- Le flux lumineux, en lumens (lm), est la quantité de lumière émise par une source.
- L'éclairement, en lux (lx), est la quantité de lumière qui arrive sur une surface : 1 lx = 1 lm/m².
- L'efficacité lumineuse, en lumens par watt (lm/W), indique si une source est économe.
- La température de couleur, en kelvins (K), dit si la lumière paraît chaude (jaunâtre) ou froide (bleutée).
- L'indice de rendu des couleurs (IRC ou Ra) indique si les couleurs des objets sont fidèlement restituées.
Comprendre
Ce que la source émet : le flux
Une lampe ou un luminaire émet de la lumière dans toutes les directions de son faisceau. La quantité totale est le flux lumineux, en lumens. Un luminaire de bureau LED courant émet quelques milliers de lumens. La fiche technique précise s'il s'agit du flux de la source ou du flux sortant du luminaire : c'est ce dernier qui compte.
Dans quelle direction : l'intensité
L'intensité lumineuse, en candelas (cd), indique la lumière émise dans une direction donnée. Un spot étroit concentre son flux : il a une forte intensité dans l'axe. Les fabricants donnent une courbe photométrique qui montre l'intensité dans chaque direction.
Ce qui arrive sur le bureau : l'éclairement
L'éclairement, en lux, est ce que l'on mesure avec un luxmètre, posé sur le plan de travail. Si 4000 lm tombent uniformément sur 20 m², l'éclairement vaut 4000 / 20 = 200 lx. C'est la grandeur qu'on compare aux recommandations (voir Éclairer un lieu de travail).
Ce que l'œil voit : la luminance
La luminance, en candelas par mètre carré (cd/m²), décrit la brillance d'une surface vue par l'œil. Une source trop lumineuse dans le champ de vision éblouit, même si l'éclairement sur le bureau est correct.
L'efficacité
Une LED qui donne 4000 lm pour 32 W a une efficacité de 4000 / 32 = 125 lm/W. Plus ce chiffre est élevé, moins on consomme pour la même lumière.
Couleur et rendu
Une lumière à 3000 K paraît chaude, à 4000 K neutre, à 6500 K froide. L'IRC (Ra) va jusqu'à 100 : plus il est élevé, plus les couleurs paraissent naturelles.
Sur le terrain
Dans une salle de classe à Charleroi, les enseignants se plaignent d'une lumière « fatigante ». Le technicien mesure au luxmètre sur les bancs : l'éclairement est suffisant. Mais les anciens luminaires à tubes nus sont visibles directement depuis les bancs : leur luminance est élevée et ils éblouissent. Le remplacement par des luminaires LED à diffuseur, de même flux, règle le problème sans changer le nombre de points.
Erreurs fréquentes
- Confondre lumens (ce que la source émet) et lux (ce qui arrive sur la surface).
- Comparer deux luminaires sur leur puissance en watts au lieu de leur flux et de leur efficacité.
- Mesurer l'éclairement en tenant le luxmètre au-dessus de la tête au lieu du plan de travail.
- Croire qu'une lumière plus « blanche » (plus de kelvins) éclaire davantage.
Niveau supérieur
L'essentiel
- L'éclairement produit par une source ponctuelle suit la loi de l'inverse du carré : E = I × cos θ / d².
- L'éclairement moyen sur une surface vaut le flux utile divisé par l'aire.
- L'angle solide relie flux et intensité : Φ = I × Ω pour une intensité constante dans l'angle solide Ω (en stéradians).
- La luminance et le contraste gouvernent le confort visuel ; l'UGR quantifie l'éblouissement d'inconfort.
Approfondir
Relations entre grandeurs
| Grandeur | Symbole | Unité | Définition |
|---|---|---|---|
| Flux lumineux | Φ | lm | puissance lumineuse perçue par l'œil |
| Intensité | I | cd | flux par unité d'angle solide (1 cd = 1 lm/sr) |
| Éclairement | E | lx | flux reçu par unité de surface (1 lx = 1 lm/m²) |
| Luminance | L | cd/m² | intensité par unité de surface apparente |
| Efficacité | η | lm/W | flux émis / puissance électrique absorbée |
Une sphère entière correspond à 4π sr. Une source isotrope de 100 cd émet donc 100 × 4π ≈ 1257 lm.
Loi de l'inverse du carré et loi du cosinus
Pour une source assimilable à un point (distance grande devant les dimensions de la source) :
E = I(θ) × cos θ / d²
où d est la distance source–point et θ l'angle entre la direction de la lumière et la normale à la surface. Pour un point situé à la verticale de la source, θ = 0 et E = I / h². Pour un point décalé d'une distance horizontale a, sous une source à la hauteur h : d = √(h² + a²) et cos θ = h / d, d'où E = I(θ) × h / d³.
Doubler la distance divise l'éclairement par quatre : c'est pourquoi une hauteur de montage plus grande demande plus de flux ou des optiques plus intensives.
Éclairement moyen
Sur une surface, l'éclairement moyen vaut Em = Φ utile / A. Toute la lumière émise n'atteint pas le plan utile : une partie est absorbée par les parois et le mobilier. C'est le facteur d'utilisation, utilisé dans la méthode des lumens.
Efficacité et consommation
L'énergie consommée vaut W = P × t (voir calculateur Énergie). À éclairement égal, une source de 150 lm/W consomme 20 % de moins qu'une source de 120 lm/W (120 / 150 = 0,8). L'efficacité utile est celle du luminaire complet, driver compris.
Rendu et température de couleur
Le Ra est la moyenne d'une série d'échantillons de couleur de référence ; un Ra élevé ne garantit pas un bon rendu des rouges saturés (indice R9), souvent indiqué séparément pour les LED. La température de couleur proximale ne dit rien du rendu : deux sources de 4000 K peuvent avoir des Ra très différents.
Exemple chiffré
Un luminaire suspendu à 2,5 m au-dessus d'un plan de travail présente une intensité supposée constante de 1000 cd dans la zone étudiée.
- À la verticale : E = 1000 / 2,5² = 1000 / 6,25 = 160 lx.
- En un point décalé de 2 m : d = √(2,5² + 2²) = √10,25 ≈ 3,20 m ; cos θ = 2,5 / 3,20 ≈ 0,781 ; E = 1000 × 0,781 / 10,25 ≈ 76 lx.
L'éclairement a été divisé par plus de deux en s'écartant de 2 m. En réalité, I varie avec l'angle selon la courbe photométrique : on lit I(θ) pour θ = arccos(0,781) ≈ 38,7° sur la courbe du fabricant.
- Efficacité : ce luminaire émet 4000 lm pour 32 W, soit 4000 / 32 = 125 lm/W. Sur 2500 h par an, il consomme 32 × 2500 = 80 000 Wh = 80 kWh.
Erreurs fréquentes
- Appliquer E = I / d² à un point décalé sans le facteur cos θ.
- Utiliser le flux des LED nues au lieu du flux sortant du luminaire.
- Appliquer la loi de l'inverse du carré à une source étendue (plafond lumineux, longue réglette) vue de près.
- Confondre température de couleur et qualité du rendu des couleurs.