El efecto estroboscópico es un fenómeno visual causado por aliasing que ocurre cuando un movimiento rotacional continuo u otro movimiento cíclico está representado por una serie de muestras cortas o instantáneas (a diferencia de una vista continua) a una frecuencia de muestreo cercana al período del movimiento. Esto explica el " efecto rueda de carro ", llamado así porque en los vídeos las ruedas de radios (como las de los carros tirados por caballos) a veces parecen girar hacia atrás.
Una fuente estroboscópica, una corriente de gotas de agua que caen a intervalos regulares iluminada con una luz estroboscópica , es un ejemplo del efecto estroboscópico aplicado a un movimiento cíclico que no es de rotación. Cuando se ve con luz normal, se trata de una fuente de agua normal. Cuando se observan bajo una luz estroboscópica con su frecuencia sintonizada con la velocidad a la que caen las gotas, las gotas parecen estar suspendidas en el aire. Ajustar la frecuencia 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 subyacen a la teoría detrás de la animación , el cine y otras imágenes en movimiento.
Simon Stampfer , quien acuñó el término en su solicitud de patente de 1833 para su stroboscopische Scheiben (más conocido como " fenakistiscopio "), explicó cómo se produce la ilusión de movimiento cuando, durante interrupciones de luz regulares y muy breves, inadvertidas, una figura es reemplazada por una figura similar en una posición ligeramente diferente. De este modo, se puede manipular cualquier serie de figuras para mostrar movimientos en cualquier dirección deseada. [1]
Considere el estroboscopio tal como 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 ve 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 girando. estacionario. Además, a una frecuencia de 60 destellos por segundo, la persistencia de la visión suaviza la secuencia de destellos para que la imagen percibida sea continua.
Si el mismo objeto giratorio se ve 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 el objeto vuelva a verse 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 el objeto se ve 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 en 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 producirse el mismo efecto estroboscópico.
El efecto estroboscópico también influye en la reproducción de audio. Los discos compactos dependen de los reflejos estroboscópicos del láser de la superficie del disco para poder ser procesados (también se utiliza para datos informáticos ). Los DVD y los discos Blu-ray tienen funciones similares.
El efecto estroboscópico también influye en los micrófonos láser .
Las cámaras cinematográficas suelen grabar 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. Filmado a 24 fotogramas por segundo, los radios de cada fotograma aparecerán exactamente en la misma posición. Por lo tanto, se percibirá que la rueda está estacionaria. De hecho, cada radio capturado fotográficamente en cualquier posición será un radio real diferente en cada cuadro sucesivo, pero dado que 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 gire 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 verá que la posición de los radios se retrasa un poco más en cada cuadro sucesivo y por tanto, la rueda parecerá que gira hacia atrás.
El efecto estroboscópico es uno de los artefactos luminosos temporales particulares . En aplicaciones de iluminación comunes, el efecto estroboscópico es un efecto no deseado que puede volverse visible si una persona mira 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 atenuadores externos del tipo de modulación de ancho de pulso sin filtro . Si esto es así se puede comprobar con un fidget spinner giratorio .
Varios comités científicos han evaluado los posibles aspectos relacionados con la salud, el rendimiento y la seguridad resultantes de las modulaciones temporales de la luz (TLM), incluido el efecto estroboscópico. [2] [3] [4] Los efectos adversos en áreas comunes de aplicación de iluminación incluyen molestia, rendimiento reducido de tareas, fatiga visual y dolor de cabeza. Los aspectos de visibilidad del efecto estroboscópico se dan en una nota técnica de CIE , ver CIE TN 006:2016 [5] y en la tesis de Perz. [6] [7]
Los efectos estroboscópicos también pueden provocar situaciones inseguras en lugares de trabajo con maquinaria que se mueve o gira rápidamente. Si la frecuencia de la maquinaria que gira rápidamente o de las piezas en movimiento 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. Los efectos estroboscópicos que se hacen visibles en objetos en rotación también se denominan efecto rueda de carro .
En general, los efectos no deseados en la percepción visual de un observador humano inducidos por fluctuaciones en la intensidad de la luz se denominan artefactos luminosos temporales (TLA). En el seminario web grabado “ ¿Es todo solo un 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 cortos y repetitivos que pueden usarse para medir frecuencias de movimiento o para analizar o cronometrar objetos en movimiento. Además, el entrenamiento visual estroboscópico (SVT) 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 intencionalmente o no. Las variaciones de luz intencionadas se aplican para advertencia, señalización (p. ej., señales de semáforo , señales luminosas intermitentes de aviación), entretenimiento (como iluminación de escenarios ) con el fin de que las personas perciban el parpadeo. En general, la potencia luminosa de los aparatos de iluminación también puede tener modulaciones residuales involuntarias del nivel de luz debido a la tecnología del aparato 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 eléctrica, 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 balastro y el tipo de tecnología de regulación de la luz aplicada (por ejemplo, modulación de ancho de pulso). . Si la frecuencia de modulación está por debajo del umbral de fusión de parpadeo y si la magnitud del TLM excede 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 (ver ejemplo en la Figura 1).
Los LED no producen intrínsecamente modulaciones temporales; simplemente reproducen muy bien la forma de onda de la corriente de entrada, y cualquier ondulación en la forma de onda actual 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 (incandescentes, fluorescentes), para la iluminación LED se observa una mayor variedad en las propiedades de TLA. Se aplican muchos tipos y topologías de circuitos de controladores LED ; La electrónica más simple y los condensadores buffer limitados o nulos a menudo dan como resultado una mayor ondulación de la corriente residual y, por lo tanto, una mayor modulación temporal de la luz.
Las tecnologías de atenuación de atenuadores aplicados externamente (reguladores incompatibles) o reguladores de nivel de luz internos pueden tener un impacto adicional en el nivel del efecto estroboscópico; el nivel de modulación temporal de la luz generalmente aumenta a niveles de luz más bajos.
NOTA – La causa fundamental, la modulación temporal de la luz, a menudo se denomina parpadeo. Además, el efecto estroboscópico suele denominarse parpadeo. Sin embargo, el parpadeo es un efecto directamente visible resultante de modulaciones de luz a frecuencias de modulación relativamente bajas, normalmente por debajo de 80 Hz, mientras que el efecto estroboscópico en aplicaciones comunes (residenciales) puede volverse visible si hay modulaciones de luz presentes con frecuencias de modulación, normalmente por encima de 80 Hz.
Generalmente, los efectos estroboscópicos indeseables se pueden 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 reduce la eficiencia energética.
Por ejemplo, para reducir la modulación de la corriente para accionar los LED, lo que también reduce la visibilidad de los TLA, se requiere un condensador de almacenamiento grande, como un condensador electrolítico. Sin embargo, el uso de tales condensadores acorta significativamente la vida útil del LED, ya que tienen la tasa de falla más alta entre todos los componentes. Otra solución para reducir la visibilidad de los TLA es aumentar la frecuencia de la corriente impulsora; sin embargo, esto disminuye la eficiencia del sistema y aumenta su tamaño general.
El efecto estroboscópico se vuelve visible si la frecuencia de modulación del TLM está en el rango de 80 Hz a 2000 Hz y si la magnitud del TLM excede un cierto nivel. Otros factores importantes que determinan la visibilidad de los TLM como efecto estroboscópico son:
Todas las cantidades 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. Por eso la percepción del efecto estroboscópico siempre se expresa con cierta probabilidad. Para los niveles de luz que se encuentran en aplicaciones comunes y para velocidades moderadas de movimiento de objetos (relacionadas 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 del 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 vuelve visible si la frecuencia de modulación del TLM está en la región entre aproximadamente 10 Hz y 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 en teoría el efecto estroboscópico también es visible en el rango de frecuencia inferior a 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 en la práctica se produzcan grandes magnitudes de TLM repetitivos intencionales con frecuencias inferiores a 100 Hz porque los TLM residuales generalmente ocurren en frecuencias de modulación que son el doble de la frecuencia de la red (100 Hz o 120 Hz).
También se ofrecen explicaciones detalladas sobre la visibilidad del efecto estroboscópico y otros artefactos de luz temporal 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 de equipos de iluminación se publican en el informe técnico IEC TR 63158. [11] SVM se calcula utilizando la siguiente fórmula de suma:
donde C m es la amplitud relativa del m-ésimo componente de Fourier (representación trigonométrica de la serie de Fourier) de la iluminancia relativa (en relación con el 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 en la frecuencia del m-ésimo componente de Fourier (ver § Visibilidad). 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 equipos de iluminación en aplicaciones generales de interior, con niveles de luz interiores típicos (> 100 lx) y con movimientos moderados de un observador o de un objeto manipulado cercano ( < 4m/s). Para evaluar 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 porque 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 de efectos estroboscópicos de Matlab que incluye una función para calcular SVM y algunos ejemplos de aplicaciones están disponibles en Matlab Central a través de Mathworks Community. [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 superior al 50%. Si el valor de la medida de visibilidad es menor que la unidad, la probabilidad de detección es inferior al 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 otros, brinda orientación para los criterios de aceptación en diferentes aplicaciones.
En la Figura 3 se muestra una configuración de prueba típica para pruebas de efectos estroboscópicos. El medidor de visibilidad de efectos estroboscópicos se puede aplicar para diferentes propósitos (consulte IEC TR 63158 [11] ):
El efecto estroboscópico puede provocar situaciones inseguras en lugares de trabajo con maquinaria que se mueve o gira rápidamente . Si la frecuencia de la maquinaria que gira rápidamente o de las piezas en movimiento 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 necesaria ]
Debido a la ilusión que el efecto estroboscópico puede dar a la maquinaria en movimiento, se recomienda evitar la iluminación monofásica. Por ejemplo, una fábrica que se ilumina con un suministro monofásico con iluminación básica tendrá un parpadeo de 100 o 120 Hz (dependiendo del país, 50 Hz x 2 en Europa, 60 Hz x 2 en EE. UU., el doble de la frecuencia nominal). , por lo tanto, cualquier maquinaria que gire a múltiplos de 50 o 60 Hz (3000 a 3600 rpm) puede parecer que no gira, lo que aumenta el riesgo de lesiones para el operador. Las soluciones incluyen implementar la iluminación a través de un suministro trifásico completo o usar controladores de alta frecuencia que controlan las luces a frecuencias más seguras [14] o iluminación de corriente continua. [ cita necesaria ]
![{\displaystyle SVM={\sqrt[{3.7}]{\textstyle \sum _ {m=1}^{\infty }\displaystyle \left({\frac {C_{m}}{T_{m}}} \derecha)^{3.7}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c49bc10774828abf5922b879e27ca6f31fab7fd9)