El efecto estroboscópico es un fenómeno visual causado por el aliasing que ocurre cuando un movimiento rotatorio continuo u otro movimiento cíclico se representa mediante una serie de muestras cortas o instantáneas (en contraposición a una vista continua) a una frecuencia de muestreo cercana al período del movimiento. Esto explica el " efecto de rueda de carro ", llamado así porque en el video, las ruedas con radios (como las de los carros tirados por caballos) a veces parecen girar hacia atrás.
Una fuente estroboscópica, un chorro de gotas de agua que caen a intervalos regulares iluminadas con una luz estroboscópica , es un ejemplo del efecto estroboscópico aplicado a un movimiento cíclico que no es rotatorio. Cuando se observa con luz normal, se trata de una fuente de agua normal. Cuando se observa con una luz estroboscópica con su frecuencia ajustada a la velocidad a la que caen las gotas, estas parecen estar suspendidas en el aire. Ajustar la frecuencia de la luz estroboscópica puede hacer que las gotas parezcan moverse lentamente hacia arriba o hacia abajo.
Los principios estroboscópicos y su capacidad para crear una ilusión de movimiento son la base de la teoría detrás de la animación , el cine y otras imágenes en movimiento.
Simon Stampfer , que acuñó el término en su solicitud de patente de 1833 para su stroboscopische Scheiben (más conocido como " fenaquistiscopio "), explicó cómo se produce la ilusión de movimiento cuando, durante interrupciones regulares y muy breves de la luz que no se notan, una figura es reemplazada por otra similar en una posición ligeramente diferente. De este modo, cualquier serie de figuras puede manipularse para mostrar movimientos en cualquier dirección deseada. [1]
Consideremos el estroboscopio que se utiliza en el análisis mecánico. Puede ser una " luz estroboscópica " que se dispara a una velocidad ajustable. Por ejemplo, un objeto gira a 60 revoluciones por segundo: si se lo observa con una serie de destellos cortos a 60 veces por segundo, cada destello ilumina el objeto en la misma posición en su ciclo de rotación, por lo que parece que el objeto está estacionario. Además, a una frecuencia de 60 destellos por segundo, la persistencia de la visión suaviza la secuencia de destellos de modo que la imagen percibida es continua.
Si se observa el mismo objeto giratorio a 61 destellos por segundo, cada destello lo iluminará en una parte ligeramente anterior de su ciclo de rotación. Se producirán sesenta y un destellos antes de que se vuelva a ver el objeto en la misma posición y la serie de imágenes se percibirá como si girara hacia atrás una vez por segundo.
El mismo efecto ocurre si se observa el objeto a 59 destellos por segundo, excepto que cada destello lo ilumina un poco más tarde en su ciclo de rotación y, por lo tanto, el objeto parecerá estar girando hacia adelante.
Lo mismo podría aplicarse a otras frecuencias como la de 50 Hz, característica de las redes de distribución eléctrica de la mayoría de los países del mundo.
En el caso de las películas, la acción se captura como una serie rápida de imágenes fijas y puede ocurrir el mismo efecto estroboscópico.
El efecto estroboscópico también desempeña un papel en la reproducción de audio. Los CD dependen de los reflejos estroboscópicos del láser de la superficie del disco para ser procesados (también se utiliza para datos informáticos ). Los DVD y los discos Blu-ray tienen funciones similares.
El efecto estroboscópico también juega un papel en los micrófonos láser .
Las cámaras de cine graban convencionalmente a 24 fotogramas por segundo. Aunque no es probable que las ruedas de un vehículo giren a 24 revoluciones por segundo (ya que eso sería extremadamente rápido), supongamos que cada rueda tiene 12 radios y gira a sólo dos revoluciones por segundo. Filmada a 24 fotogramas por segundo, los radios de cada fotograma aparecerán exactamente en la misma posición. Por lo tanto, la rueda se percibirá como estacionaria. De hecho, cada radio capturado fotográficamente en cualquier posición será un radio real diferente en cada fotograma sucesivo, pero como los radios son casi idénticos en forma y color, no se percibirá ninguna diferencia. Por lo tanto, siempre que el número de veces que la rueda gira por segundo sea un factor de 24 y 12, la rueda parecerá estacionaria.
Si la rueda gira un poco más lentamente que dos revoluciones por segundo, se observa que la posición de los radios se retrasa un poco más en cada cuadro sucesivo y, por lo tanto, la rueda parecerá estar girando hacia atrás.
El efecto estroboscópico es uno de los artefactos de luz temporales particulares . En aplicaciones de iluminación comunes, el efecto estroboscópico es un efecto no deseado que puede volverse visible si una persona está mirando un objeto en movimiento o giratorio que está iluminado por una fuente de luz modulada en el tiempo. La modulación temporal de la luz puede provenir de fluctuaciones de la propia fuente de luz o puede deberse a la aplicación de ciertas tecnologías de atenuación o regulación del nivel de luz. Otra causa de modulaciones de luz pueden ser las lámparas con reguladores externos de tipo modulación de ancho de pulso sin filtro . Si esto es así se puede probar con un fidget spinner giratorio .
Varios comités científicos han evaluado los posibles aspectos relacionados con la salud, el rendimiento y la seguridad que resultan de las modulaciones temporales de la luz (TLM), incluido el efecto estroboscópico. [2] [3] [4] Los efectos adversos en las áreas de aplicación de iluminación comunes incluyen molestias, rendimiento reducido en la tarea, fatiga visual y dolor de cabeza. Los aspectos de visibilidad del efecto estroboscópico se detallan en una nota técnica de la CIE , consulte CIE TN 006:2016 [5] y en la tesis de Perz. [6] [7]
Los efectos estroboscópicos también pueden provocar situaciones de riesgo en lugares de trabajo con maquinaria que gira o se mueve rápidamente. Si la frecuencia de la maquinaria que gira rápidamente o de las piezas móviles coincide con la frecuencia o múltiplos de la frecuencia de la modulación de la luz, la maquinaria puede parecer estacionaria o moverse a otra velocidad, lo que puede provocar situaciones de riesgo. Los efectos estroboscópicos que se hacen visibles en objetos giratorios también se conocen como efecto de rueda de carreta .
En general, los efectos no deseados en la percepción visual de un observador humano inducidos por fluctuaciones de la intensidad de la luz se denominan artefactos de luz temporales (TLA). En el seminario web grabado “ ¿Es todo solo parpadeo? ” se ofrecen más antecedentes y explicaciones sobre los diferentes fenómenos de TLA, incluido el efecto estroboscópico . [8]
En algunas aplicaciones especiales, los TLM también pueden inducir efectos deseados. Por ejemplo, un estroboscopio es una herramienta que produce destellos de luz breves y repetitivos que se pueden utilizar para medir frecuencias de movimiento o para analizar o cronometrar objetos en movimiento. El entrenamiento visual estroboscópico (SVT) también es una herramienta reciente destinada a mejorar el rendimiento visual y perceptivo de los deportistas mediante la ejecución de actividades en condiciones de iluminación modulada o visión intermitente. [9]
La luz emitida por equipos de iluminación , como luminarias y lámparas, puede variar en intensidad en función del tiempo, ya sea de forma intencionada o no. Las variaciones intencionadas de la luz se aplican para advertencias, señalización (por ejemplo, señalización de semáforos , señales luminosas intermitentes de aviación), entretenimiento (como iluminación de escenarios ) con el fin de que las personas perciban el parpadeo. En general, la salida de luz de los equipos de iluminación también puede tener modulaciones de nivel de luz no intencionadas residuales debido a la tecnología de los equipos de iluminación en relación con el tipo de conexión a la red eléctrica. Por ejemplo, los equipos de iluminación conectados a una red eléctrica monofásica normalmente tendrán TLM residuales del doble de la frecuencia de la red, ya sea a 100 o 120 Hz (según el país).
La magnitud, forma, periodicidad y frecuencia de los TLM dependerán de muchos factores, como el tipo de fuente de luz, la frecuencia de la red eléctrica, la tecnología del controlador o balasto y el tipo de tecnología de regulación de la luz aplicada (por ejemplo, modulación por ancho de pulso). Si la frecuencia de modulación está por debajo del umbral de fusión de parpadeo y si la magnitud del TLM supera un cierto nivel, entonces dichos TLM se perciben como parpadeo . Las modulaciones de luz con frecuencias de modulación más allá del umbral de fusión de parpadeo no se perciben directamente, pero pueden hacerse visibles ilusiones en forma de efecto estroboscópico (véase un ejemplo en la Figura 1).
Los LED no producen modulaciones temporales intrínsecamente; simplemente reproducen muy bien la forma de onda de la corriente de entrada y cualquier ondulación en la forma de onda de la corriente se reproduce mediante una ondulación de luz porque los LED tienen una respuesta rápida; por lo tanto, en comparación con las tecnologías de iluminación convencionales (incandescente, fluorescente), para la iluminación LED se observa una mayor variedad en las propiedades TLA. Se aplican muchos tipos y topologías de circuitos de controladores de LED ; la electrónica más simple y los condensadores de búfer limitados o inexistentes a menudo dan como resultado una ondulación de corriente residual mayor y, por lo tanto, una modulación de luz temporal mayor.
Las tecnologías de atenuación de atenuadores aplicados externamente (atenuadores incompatibles) o reguladores de nivel de luz internos pueden tener un impacto adicional en el nivel de efecto estroboscópico; el nivel de modulación de luz temporal generalmente aumenta a niveles de luz más bajos.
NOTA: La modulación temporal de la luz que causa la causa principal suele denominarse parpadeo. También se hace referencia al efecto estroboscópico como parpadeo. Sin embargo, el parpadeo es un efecto directamente visible que resulta de las modulaciones de la luz a frecuencias de modulación relativamente bajas, normalmente por debajo de los 80 Hz, mientras que el efecto estroboscópico en aplicaciones comunes (residenciales) puede hacerse visible si hay modulaciones de la luz con frecuencias de modulación, normalmente por encima de los 80 Hz.
Generalmente, el efecto estroboscópico no deseado se puede evitar reduciendo el nivel de TLM.
El diseño de equipos de iluminación para reducir los TLM de las fuentes de luz suele ser una compensación por otras propiedades del producto y generalmente aumenta el costo y el tamaño, acorta la vida útil o disminuye la eficiencia energética.
Por ejemplo, para reducir la modulación de la corriente que alimenta los LED, lo que también reduce la visibilidad de los TLA, se requiere un condensador de almacenamiento de gran tamaño, como un condensador electrolítico. Sin embargo, el uso de dichos condensadores acorta significativamente la vida útil del LED, ya que se ha descubierto que tienen la tasa de fallos más alta entre todos los componentes. Otra solución para reducir la visibilidad de los TLA es aumentar la frecuencia de la corriente de accionamiento, pero esto disminuye la eficiencia del sistema y aumenta su tamaño general.
El efecto estroboscópico se hace visible si la frecuencia de modulación del TLM está en el rango de 80 Hz a 2000 Hz y si la magnitud del TLM supera un cierto nivel. Otros factores importantes que determinan la visibilidad de los TLM como efecto estroboscópico son:
Todas las magnitudes de influencia relacionadas con el observador son parámetros estocásticos, porque no todos los humanos perciben el efecto de la misma onda de luz de la misma manera. Es por eso que la percepción del efecto estroboscópico siempre se expresa con una cierta probabilidad. Para los niveles de luz encontrados en aplicaciones comunes y para velocidades moderadas de movimiento de objetos (conectadas con velocidades que pueden ser alcanzadas por humanos), se ha derivado una curva de sensibilidad promedio basada en estudios de percepción. [6] [10] La curva de sensibilidad promedio para formas de onda de luz moduladas sinusoidales, también llamada función de umbral de contraste de efecto estroboscópico, en función de la frecuencia f es la siguiente:
La función de umbral de contraste se muestra en la Figura 2. El efecto estroboscópico se hace visible si la frecuencia de modulación del TLM está en la región entre aproximadamente 10 Hz a 2000 Hz y si la magnitud del TLM excede un cierto nivel. La función de umbral de contraste muestra que en frecuencias de modulación cercanas a 100 Hz, el efecto estroboscópico será visible en magnitudes de modulación relativamente bajas. Aunque el efecto estroboscópico en teoría también es visible en el rango de frecuencia por debajo de 100 Hz, en la práctica la visibilidad del parpadeo dominará sobre el efecto estroboscópico en el rango de frecuencia de hasta 60 Hz. Además, es poco probable que se produzcan grandes magnitudes de TLM repetitivos intencionales con frecuencias por debajo de 100 Hz porque los TLM residuales generalmente ocurren en frecuencias de modulación que son el doble de la frecuencia de la red eléctrica (100 Hz o 120 Hz).
También se ofrecen explicaciones detalladas sobre la visibilidad del efecto estroboscópico y otros artefactos de luz temporales en CIE TN 006:2016 [5] y en un seminario web grabado “ ¿Es todo solo parpadeo? ”. [8]
Para la evaluación objetiva del efecto estroboscópico se ha desarrollado la medida de visibilidad del efecto estroboscópico (SVM). [5] [6] [10] La especificación del medidor de visibilidad del efecto estroboscópico y el método de prueba para la evaluación objetiva del equipo de iluminación se publican en el informe técnico IEC TR 63158. [11] La SVM se calcula utilizando la siguiente fórmula de suma:
donde C m es la amplitud relativa del m-ésimo componente de Fourier (representación de la serie de Fourier trigonométrica) de la iluminancia relativa (relativa al nivel de CC);
T m es la función de umbral de contraste del efecto estroboscópico para la visibilidad del efecto estroboscópico de una onda sinusoidal a la frecuencia del componente de Fourier m-ésimo (véase § Visibilidad). El SVM se puede utilizar para la evaluación objetiva por parte de un observador humano de los efectos estroboscópicos visibles de la modulación temporal de la luz de los equipos de iluminación en aplicaciones interiores generales, con niveles de luz interior típicos (> 100 lx) y con movimientos moderados de un observador o un objeto manipulado cercano (< 4 m/s). Para evaluar los efectos estroboscópicos no deseados en otras aplicaciones, como la percepción errónea de maquinaria que gira o se mueve rápidamente en un taller, por ejemplo, se pueden requerir otras métricas y métodos o la evaluación se puede realizar mediante pruebas subjetivas (observación).
NOTA: Se están aplicando varias métricas alternativas, como la profundidad de modulación, el porcentaje de parpadeo o el índice de parpadeo, para especificar el rendimiento del efecto estroboscópico de los equipos de iluminación. Ninguna de estas métricas es adecuada para predecir la percepción humana real, ya que la percepción humana se ve afectada por la profundidad de modulación, la frecuencia de modulación, la forma de onda y, si corresponde, el ciclo de trabajo del TLM.
Una caja de herramientas de medición de visibilidad del efecto estroboscópico de Matlab que incluye una función para calcular SVM y algunos ejemplos de aplicación están disponibles en Matlab Central a través de la Comunidad Mathworks. [12]
Si el valor de SVM es igual a uno, la modulación de entrada de la forma de onda de luz produce un efecto estroboscópico que es apenas visible, es decir, en el umbral de visibilidad. [5] Esto significa que un observador promedio podrá detectar el artefacto con una probabilidad del 50%. Si el valor de la medida de visibilidad es superior a la unidad, el efecto tiene una probabilidad de detección de más del 50%. Si el valor de la medida de visibilidad es menor que la unidad, la probabilidad de detección es menor del 50%. Estos umbrales de visibilidad muestran la detección promedio de un observador humano promedio en una población. Sin embargo, esto no garantiza la aceptabilidad. Para algunas aplicaciones menos críticas, el nivel de aceptabilidad de un artefacto puede estar muy por encima del umbral de visibilidad. Para otras aplicaciones, los niveles aceptables pueden estar por debajo del umbral de visibilidad. NEMA 77-2017 [13], entre otras, proporciona orientación sobre los criterios de aceptación en diferentes aplicaciones.
En la Figura 3 se muestra una configuración de prueba típica para la prueba del efecto estroboscópico. El medidor de visibilidad del efecto estroboscópico se puede aplicar para diferentes propósitos (consulte IEC TR 63158 [11] ):
El efecto estroboscópico puede provocar situaciones peligrosas en lugares de trabajo con maquinaria que gira o se mueve rápidamente . Si la frecuencia de la maquinaria que gira rápidamente o de las piezas móviles coincide con la frecuencia o múltiplos de la frecuencia de la modulación de la luz, la maquinaria puede parecer estacionaria o moverse a otra velocidad, lo que puede provocar situaciones peligrosas. [ cita requerida ]
Debido a la ilusión que puede dar el efecto estroboscópico a la maquinaria en movimiento, se recomienda evitar la iluminación monofásica. Por ejemplo, una fábrica que esté iluminada con una fuente de alimentación monofásica con iluminación básica tendrá un parpadeo de 100 o 120 Hz (según el país, 50 Hz x 2 en Europa, 60 Hz x 2 en EE. UU., el doble de la frecuencia nominal), por lo que cualquier maquinaria que gire a múltiplos de 50 o 60 Hz (3000–3600 rpm) puede parecer que no está girando, lo que aumenta el riesgo de lesiones para un operador. Las soluciones incluyen la implementación de la iluminación sobre una fuente de alimentación trifásica completa, o mediante el uso de controladores de alta frecuencia que controlen las luces a frecuencias más seguras [14] o iluminación de corriente continua. [ cita requerida ]
![{\displaystyle SVM={\sqrt[{3.7}]{\textstyle \sum _{m=1}^{\infty }\displaystyle \left({\frac {C_{m}}{T_{m}}}\right)^{3.7}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c49bc10774828abf5922b879e27ca6f31fab7fd9)