Lichthinder van geluidsschermen. Fase 2 en 3: Experimenteel onderzoek en modelontwikkeling

Transcriptie

1 Kampweg 5 Postbus ZG Soesterberg TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 Lichthinder van geluidsschermen. Fase 2 en 3: Experimenteel onderzoek en modelontwikkeling T F Info-DenV@tno.nl Datum februari 2008 Auteur(s) ing. J.W.A.M. Alferdinck dr. A. Toet ing. N. van der Leden drs. L. Zonneveldt (TNO Bouw en Ondergrond) Opdrachtgever RWS Bouwdienst Projectnummer Rubricering rapport Titel Samenvatting Rapporttekst Bijlage Ongerubriceerd Ongerubriceerd Ongerubriceerd Ongerubriceerd Ongerubriceerd Aantal pagina's 55 (incl. bijlage, excl. distributielijst) Aantal bijlagen 1 Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan TNO

2 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 2 / 54 Samenvatting Vraagstelling Weggebruikers klagen regelmatig over hinderlijke reflecties van zonlicht in geluidsschermen. De reflecties, die afhankelijk zijn van de eigenschappen van het scherm, weersomstandigheden, de tijd van de dag en het seizoen, kunnen leiden tot verblinding, afleiding en irritatie, en uiteindelijk de oorzaak zijn van gevaarlijke verkeerssituaties. Rijkswaterstaat wil weten welke reflecties toelaatbaar zijn en een methode ontwikkelen om in de ontwerpfase van de geluidschermen te kunnen bepalen of er sprake zal zijn van ontoelaatbare reflecties. Na een literatuurstudie in de eerste fase van het project zijn een laboratorium- en veldexperiment uitgevoerd om de invloed van de verschillende lichtreflecties op weggebruikers te meten. Deze rapportage beschrijft de experimenten en de modelvorming. Werkwijze In een laboratoriumexperiment en een wegexperiment werden proefpersonen gedurende een gesimuleerde rijtaak blootgesteld aan lichtstimuli van verschillende afmetingen, luminanties, verblindingshoeken, duur en knipperfrequenties. Na iedere aanbieding werd hen gevraagd een oordeel te geven van de oncomfortabele verblinding op de schaal van De Boer. Daarnaast werden de rijprestatie, oogspierspanning en de oogbewegingen geregistreerd. Resultaten Het blijkt dat de hoeveelheid licht die op het oog van de waarnemer valt (verlichtingssterkte) een sterk effect heeft op het ervaren van oncomfortabele verblinding. Daarbij zijn ook de hoek tussen de verblindingsbron en de blikrichting, en de dynamische eigenschappen van belang. Kleinere verblindingshoeken, hogere frequenties en langere belichtingtijden geven meer oncomfortabele verblinding. De grootte van de lichtreflectie heeft alleen effect bij kleine verblindingshoeken. Dit kleine interactie-effect is niet van belang voor de praktische toepassingen. Bij een lage achtergrondluminantie is de oncomfortabele verblinding het grootst. De rijprestatie wordt slechter bij verlichtingssterkten boven ongeveer 3000 lx. Bij verlichtingssterkten van deze orde grootte wordt de wegbelijning door maskerende verblinding onzichtbaar. Op basis van de resultaten is een model gemaakt dat de oncomfortabele verblinding beschrijft aan de hand van verschillende parameters als verblindingsverlichtingssterkte, verblindingshoek, achtergrondluminantie en dynamische eigenschappen van de lichtbron (frequentie, duur). Conclusie De resultaten van dit onderzoek geven een inzicht in de invloed van de verschillende verlichtingsparameters op de oncomfortabele verblinding door zonreflectie in geluidschermen. Hiermee hebben we een model ontwikkeld dat als basis kan dienen voor een software tool voor wegontwerpers. Hiermee zou van elk bestaand wegontwerp bepaald kunnen worden of er potentiële problemen zijn met de lichthinder door reflectie.

3 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 3 / 54 Summary Purpose Road users often complain about the reflections of sunlight in sound barriers. The reflections, which depend on the properties of the barrier, weather conditions, time of the day and season, can lead to glare, distraction and irritation, and finally cause dangerous traffic situations. The Ministry of Transport in the Netherlands wants to know which reflections can be tolerated and wants to develop a method for checking on intolerant reflections of sound barriers in the design phase. After a literature study in the first phase of the project, a laboratory and a field experiment have been conducted in order to measure the effect of various light reflections on road users. This report describes these experiments and the modelling of the results. Methods In a laboratory and road experiment subjects were exposed to light stimuli of various sizes, luminances, glare angles, exposure times, and flicker frequencies, during a driving task. After each exposure the subject was asked to assess the discomfort glare on the scale of De Boer. In addition, driving performance, ocular stress, and eye movements were recorded. Results It appears that the total amount of light that falls on the eye of the subject (illuminance) has a strong effect on the experience of discomfort glare. Besides that, the angle between the glare source and the viewing direction, and dynamic properties are of importance. Small glare angles, high flicker frequencies and long exposure times give more discomfort glare. The size of the light reflection has only effect at small glare angles. This small interaction effect can be neglected for practical applications. At low background luminances the discomfort glare is the largest. The driving performance becomes worst beyond a glare illuminance of about 3000 lx. For these light levels the road marking is invisible due to disability glare. On basis of the results a model was developed that describes the discomfort glare depending on various parameters, such as glare illuminance, glare angle, background luminance and dynamic properties of the light source (flicker frequency, exposure time). Conclusion The results of this study give insight in the effect of various photometric parameters on the discomfort glare induced by sun reflection in sound barriers. On basis of this we developed a model that can be used as the input for a software tool for designers. The tool should reveal potential glare problems of road designs.

4 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 4 / 54 Inhoudsopgave Samenvatting... 2 Summary Inleiding Lichtmetingen en berekeningen Inleiding Berekeningen Lichtmetingen Conclusies Experiment in het laboratorium Methode Resultaten Conclusies Experiment op de weg Inleiding Methode Resultaten Conclusies Modelontwikkeling Inleiding Model van Schmidt-Clausen en Bindels Huidige model voor oncomfortabele verblinding Maskerende verblinding Zon, tijdstip, geluidscherm Conclusies Referenties Ondertekening Bijlage A Proefpersooninstructie

5 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 5 / 54 1 Inleiding Rijkswaterstaat krijgt regelmatig klachten van weggebruikers over hinderlijke reflecties van licht in geluidsschermen. Meestal gaat het hierom reflecties van direct zonlicht. De mate van de hinder is afhankelijk van de eigenschappen van de geluidschermen (vorm, materiaal, oriëntatie, lengte) en de tijd van de dag en de dag van het jaar. De reflecties kunnen leiden tot verblinding, afleiding en irritatie, en uiteindelijk de oorzaak zijn van gevaarlijke verkeerssituaties. De Bouwdienst van Rijkswaterstaat heeft een concept ontwikkeld om de reflectie van het licht in geluidsschermen te berekenen. Hierbij wordt een weg met een geluidscherm gemodelleerd in een 3D CAD-programma (3D Studio Max). Er kan een beeld worden gemaakt van de weg met het geluidscherm vanuit het oogpunt van de weggebruiker (figuur 1). In het geluidsscherm wordt vervolgens aangegeven waar en wanneer er een spiegelende reflectie van de zon optreedt. Figuur 1 Plaatje uit een animatie gemaakt door de Bouwdienst van RWS. De kleuren en de getallen geven aan wanneer (datum in kleur, tijd in getallen) de zon op een bepaalde plaats aan de hemel staat. De Bouwdienst wil deze rekenmethode verder ontwikkelen, waarbij naast de kwalitatieve eigenschappen (waar en wanneer) van de reflecties ook de kwantitatieve gegevens (grootte, intensiteit, duur) van het hinderlicht worden berekend. Daarnaast wil de Bouwdienst weten of het mogelijk is om te komen tot een normering van de lichthinder en aan te geven bij welke mate van de lichthinder deze niet meer toelaatbaar is. Uiteindelijk is het doel om te komen tot een gereedschap voor wegontwerpers in de vorm van software dat van elke bestaand wegontwerp snel kan uitrekenen of er problemen kunnen ontstaan met de lichthinder. Hierdoor kunnen in een vroegtijdig stadium in het

6 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 6 / 54 ontwerpproces de problemen met lichthinder van geluidschermen (of in principe elk ander te bouwen object) worden voorkomen. De Bouwdienst heeft TNO Defensie en Veiligheid gevraagd onderzoek uit te voeren om te komen tot de bovengenoemde doelen. Het onderzoeksproject is in vier fasen opgedeeld. Fase 1: Literatuurstudie. Fase 2: Experimenteel onderzoek. Fase 3: Modelontwikkeling. Fase 4: Ontwikkelen softwaretool. De eerste fase van het onderzoek, een literatuurstudie naar de lichthinder van geluidsschermen is voltooid (Alferdinck & Toet, 2006). Uit de resultaten van dit onderzoek blijkt dat er weinig bruikbare wetenschappelijke resultaten te vinden zijn die betrekking hebben op oncomfortabele hinder. In het bijzonder de gegevens over de oncomfortabele hinder bij hoge verlichtingsniveaus overdag ontbreken. Daarom is aanbevolen om experimenteel onderzoek (Fase 2) uit te voeren in het laboratorium en op de weg. Met gegevens van fase 1 en 2 is in fase 3 een model ontwikkeld dat geschikt is voor implementatie in een softwaretool (Fase 4). Dit rapport omvat fase 2 en 3 van het onderzoek. In fase 2 zijn experimenten uitgevoerd om vast te stellen welke mate van lichthinder niet meer toelaatbaar is, omdat de weggebruiker zich erg oncomfortabel voelt of omdat deze de rijtaak niet goed meer kan uitvoeren. De experimenten zijn voor een groot deel uitgevoerd in een laboratorium en in beperkte mate op de weg. In het laboratoriumexperiment zijn veel condities gemeten onder gecontroleerde omstandigheden. In de proef op de weg zijn de gevonden resultaten in het laboratorium voor een paar geselecteerde condities geverifieerd. Voordat het laboratoriumexperiment werd uitgevoerd zijn er metingen en berekeningen gedaan aan de zonreflectie van geluidschermen. Deze gegevens waren nodig voor het ontwerpen van de lichtstimuli van het laboratoriumexperiment. Met de resultaten van de experimenten is een model ontwikkeld voor oncomfortabele verblinding (Fase 3). De onderdelen van Fase 2 (lichtmetingen en modelberekeningen, laboratoriumexperiment, proef op de weg) en fase 3 (Modelontwikkeling) worden achtereenvolgens in dit rapport behandeld.

7 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 7 / 54 2 Lichtmetingen en berekeningen 2.1 Inleiding Voordat het laboratoriumexperiment kan worden uitgevoerd is nagegaan welke luminanties kunnen voorkomen bij zonreflecties in geluidschermen. Het gaat niet alleen om de hoogte van de luminanties maar ook om de afmetingen van de reflectie en de verblindingshoek tussen de blikrichting en de richting waarin de reflecties optreden. Daarnaast is het dynamische gedrag (duur, flikker) van belang. Hiervoor zijn de zonreflecties berekenend, uitgaande van de stand van de zon (tijd, datum, locatie), afmetingen van weg en geluidscherm, en materiaaleigenschappen. Naast de gebruikelijke berekeningsmethoden uit fotometrie is hierbij ook gebruik gemaakt van het softwarepakket Radiance (Larson & Shakespeare, 1998). Daarnaast zijn metingen uitgevoerd op de weg. Met een luminantiecamera zijn vanuit een (rijdende) auto opnamen gemaakt van reflecties van de zon in geluidschermen. Een luminantiecamera is een digitale camera die geijkt is voor luminantiemetingen. Van elk pixel in het beeld is daardoor de luminantie bekend. De opnamen zijn op een zodanig tijdstip gemaakt dat er daadwerkelijk zonreflecties plaatsvonden. 2.2 Berekeningen Afmetingen Voor de berekeningen is gebruik gemaakt van een standaard 2 x 2-baans autosnelweg. Hiervan zijn 2 rijbanen en een geluidsscherm getoond in figuur 2. Het reflecterende deel van het geluidscherm begint op 0,8 m hoogte. De totale hoogte is 5 m. De weggebruiker kan zich bevinden op de linker of de rechter rijstrook. De zijdelingse afstand tussen het oog van de weggebruiker en de onderkant van het geluidscherm is 7,2 m of 10,7 m. Het geluidscherm staat in figuur 2 onder een hoek van 15 graden, maar kan ook onder andere hoeken staan. De ooghoogte van 1,2 m is gebaseerd op personenauto s. Figuur 2 Dwarsprofiel van de weg met geluidscherm. W 1 en W 2 zijn de posities van het oog van de weggebruiker in de rechter- en linker rijstrook. De helling van het geluidscherm (+15 graden in figuur 2) varieert van -15 tot +30 graden.

8 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 8 / 54 Bij de berekeningen is vooralsnog gekozen voor een vlak geluidscherm. In de praktijk loopt de vorm van geluidschermen uiteen van vlak, hol of bol, tot allerlei combinaties van deze basisvormen. Het geluidscherm op de A12 bij Arnhem is hol en heeft een kromtestraal van 30 m (Uittenbogerd, 1996). Wanneer het scherm niet vlak is dan zal de grootte (afmeting in visuele hoek) van de reflectie veranderen en afhankelijk zijn van de afstand tussen de plaats van reflectie en de weggebruiker. Bij holle schermen zal de grootte de reflectie afnemen en bij bolle schermen zal de grootte van de reflectie toenemen. In theorie zal de luminantie van gladde materialen niet veel veranderen bij deze vormverandering. De totale hoeveelheid licht op het oog, in termen van verlichtingssterkte (evenredig met grootte x luminantie), zal echter wel veranderen en kan de hinder beïnvloeden. Bij complexe reflectieeigenschappen (bijvoorbeeld halfmat of sterke hoekafhankelijkheid) kan wel een significante verandering van de luminantie en de grootte van de reflectie optreden Berekeningsmethode Er zijn twee soorten berekeningen uitgevoerd. Ten eerste is berekend wanneer en hoe vaak er verblindingsituaties optreden. In tweede instantie is uitgerekend hoeveel reflectie er plaatsvindt in die situaties. Bij het eerste deel van de berekeningen is uitgegaan van bovengenoemde uitgangspunten en verschillende oriëntaties (kompashoek) van de weg. Er is verondersteld dat het geluidscherm altijd evenwijdig loopt aan de weg. Voor verschillende dagen van het jaar en tijden van de dag is de zonnehoogte (elevatie) en de azimut berekend met algoritmen gebaseerd op gegevens van Velds (1992). Daarna is nagegaan of in die conditie de reflectie van de zon zichtbaar is (Littlefair, 1981). In dat geval is de hoek tussen de rijrichting en de zonreflectie (verblindingshoek) berekend. Vervolgens is bepaald hoe vaak verblindingshoeken optreden van een bepaalde waarde bij een bepaalde oriëntatie van het geluidscherm. Bij het tweede deel is berekend hoe groot de luminantie en de afmetingen van de zonnereflectie zijn. Hiervoor zijn de eigenschappen van de zon en de vorm, afmetingen en materiaaleigenschappen van het geluidscherm in rekening gebracht Eigenschappen van de zon De zon wordt gereflecteerd in het geluidscherm. Om te weten hoeveel licht gereflecteerd wordt en in het oog van de weggebruiker komt is het belangrijk om te weten hoeveel licht de zon uitstraalt. De zon wordt op aarde waargenomen als een cirkelvormige lichtbron met een diameter van ongeveer een halve graad, om precies te zijn 32 boogminuten (Hassall, 1991). De luminantie (in cd/m 2 ) van de zon is afhankelijk van de hoogte van de zon (elevatie). Hoe lager de zon staat hoe lager de luminantie van de zon is. Als de zon op het hoogste punt staat is de luminantie maximaal. Dit maximum is afhankelijk van de transmissie van de atmosfeer. Voor een heldere hemel komen in de literatuur waarden voor van 1, cd/m 2 (Radiance), 1, cd/m 2 cd/m 2 (Wyszecki & Stiles, 1982) en 1, cd/m 2. (Hassall, 1991). Als de zon lager komt te staan vermindert de luminantie doordat het licht een langere weg door de atmosfeer moet afleggen en daardoor dus meer verzwakt wordt. Deze weglengte is evenredig is met een factor 1/sin(ε), waarbij ε de elevatie van de zon is. Een model voor de luminantie van de zon dat de data redelijk goed beschrijft is:

9 TNO-rapport TNO-DV 2008 C078 9 / 54 L = L 0 m = sin( ε exp( τ. m) zon ) ( ε ) zon (1) Hierin is: L = luminantie van de zon (cd/m 2 ). L 0 = luminantie van de zon in zenit (cd/m 2 ). m = relatieve optische massa (air mass). Deze houdt rekening met de kromming van de aarde (Velds, 1992). ε zon = elevatie van de zon (graden). τ = optische diepte (of dikte). In figuur 3 is de luminantie van de zon getekend voor verschillende bronnen. Het model is gefit aan de data van W&S en Hassall met τ = 0,21 en L 0 = 1, cd/m 2. De data van Radiance wijken duidelijk af van andere twee. We zullen vooralsnog uitgaan van het model. 1.8E E+09 luminantie van de zon (cd/m 2 ) 1.4E E E E E E E E+00 model W&S (1982) Hassall (1991) Radiance zonnehoogte (graden) Figuur 3 Luminantie van de zon als functie van de zonnehoogte volgens verschillende bronnen en het model (τ = 0,21, L 0 = 1, cd/m 2 ). De verlichtingsterkte E (in lux) loodrecht op de stralen van de zon is evenredig met de luminantie van de zon L volgens E = ΩL = 6, L. Hierbij is Ω de ruimtehoek die de zon omvat 1. Als de luminantiefactor van een (diffuus reflecterend) materiaal bekend is kan hieruit de luminantie van het materiaal berekend worden. 1 De ruimtehoek van de zon Ω (in steradialen = sr) van de zon kan worden berekend uit de visuele hoek van de diameter van de zon α (in graden) met Ω = α 2 π 3 / = 6, sr. De diameter van de zon is 32 boogminuten = 0,533 graden (Hassall, 1991).

10 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Materiaaleigenschappen Geluidschermen worden gemaakt van uiteenlopende materialen. Hinderlijke reflecties treden vooral op als het materiaal een glad oppervlak heeft en/of een hoge reflectie heeft. Voor de berekeningen is uitgegaan van glas, kunststof (PMMA 2, polycarbonaat) en aluminium. De hoeveelheid licht die door een geluidscherm wordt gereflecteerd hangt af van de inen uitvalshoek en de materiaaleigenschappen. Bij de meeste materialen neemt de reflectie toe als de invalshoek (hoek tussen lichtbron en normaal loodrecht op het oppervlak) toeneemt. Bij glas dat gebruikt wordt in gebouwen dit variëren van 5% of 42% bij een invalshoek van 0 graden tot 100% bij een invalshoek van 90 graden (Hassall, 1991). We gaan er van uit dat bij geluidschermen materiaal geen sterk spiegelend materiaal wordt gebruikt zoals dat wel voorkomt bij moderne gebouwen. In dat geval kunnen we uitgaan van de reflectiekrommen zoals die in figuur 4 zijn weergegeven. Voor glas en twee kunststoffen is met behulp van de formules van Fresnel de reflectie uitgerekend voor verschillende invalshoeken (Hecht, 1987). Er is uitgegaan van volledig transparant materiaal met meervoudige reflecties aan twee oppervlakken en brekingsindexen voor PMMA, polycarbonaat en glas van respectievelijk 1,491, 1,585 en 1,52. Het blijkt dat bij kleine invalshoeken de reflectie lager is dan 0,1. Het materiaal met de grootste brekingsindex heeft de hoogste reflectie, polycarbonaat is dit geval. Voor invalshoeken boven ongeveer 45 graden gaat de reflectie omhoog en verschillen de drie materialen nauwelijks meer. De invalshoeken die relevant zijn bij hinderlijke reflecties liggen boven 70 graden. Voor 70, 80 en 85 graden zijn de reflecties 0,30, 0,56 en 0, PMMA Polycarnonaat Glas Reflectie Figuur Invalshoek (graden) Reflectie van licht op verschillende transparante materialen als functie van de invalshoek. Nul graden is loodrecht op het oppervlak. 2 PMMA = polymethylmethacrylaat, beter bekend onder de handelsnamen Plexiglas en Perspex en wordt ook wel acrylglas genoemd.

11 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Figuur 5 Luminantiefactor van aluminium voor verschillende in- en uitvalshoeken (Toet & Alferdinck, 1992). De datapunten zijn gemeten waarden. De doorgetrokken lijnen zijn gebaseerd op een reflectiemodel. Nul graden is loodrecht op het oppervlak. Als het materiaal niet glad maar ruw of vervuild is, dan zijn de reflectie-eigenschappen anders. In dat geval is de reflectie niet maar puur spiegelend (speculair) maar zit er ook een diffuse component in. Het licht wordt dan meer uitgespreid. De grootte van de reflectie in termen van visuele hoek wordt dan groter en de maximum luminantie wordt lager. Voor aluminium is de reflectie gemeten in een eerder TNO-onderzoek (Toet & Alferdinck, 1992). In figuur 5 is de luminantiefactor 3 uitgezet als functie van de invalshoek. Het blijkt dat voor grote invalshoeken de reflectie hoog is ten opzichte van een absoluut witte reflectie die een luminantiefactor van 1 heeft. Voor invalshoeken van 0, 45, 80 en 85 graden is de luminantiefactor maximaal 2,3; 5,2; 200 en 350. Voor een invalshoek van 70 graden is de luminantiefactor op ongeveer 60. In tegenstelling tot bij spiegelende reflectie wordt ook nog een behoorlijke hoeveelheid licht gereflecteerd als de in- en uitvalshoek niet gelijk zijn. Dat heeft tot gevolg dat een puntlichtbron bij reflectie wordt uitgesmeerd over meer richtingen en als een grotere lichtvlek gezien wordt. Als we de grootte van de lichtvlek definiëren als de hoek tussen de punten waar de luminantie een factor twee lager is dan het maximum, dan zijn de groottes van de lichtvlekken bij 0, 45, 80 en 85 graden, resp. 60, 17, 6 en 5 graden. De grootte bij een invalshoek van 70 graden is ongeveer 7 graden. Wanneer de verlichtingssterkte van de zon op het materiaal bekend is dan is de luminantie van het materiaal te berekenen met de formule L = βecos(α)/π. Hierin is β de luminantiefactor, α de invalshoek en E de verlichtingsterkte loodrecht op de zonnestralen. 3 De luminantiefactor is de verhouding van luminantie van een object met de luminantie van een absoluut wit object.

12 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Dynamische aspecten Knipperende reflecties kunnen veroorzaakt worden door onderbrekingen van de reflecties, bijvoorbeeld: verticale constructiedelen aan de voorkant van een spiegelend geluidscherm. Het karakter van het knipperen wordt bepaald door: De onderlinge afstanden en breedte (in rijrichting) en de dikte van deze constructiedelen bepalen de verhouding tussen aan en uit. De rijsnelheid van de waarnemer en de onderlinge afstand tussen de onderbrekingen bepaalt de frequentie van het knipperen. De plaats van de reflectie heeft ook invloed op de verhouding tussen aan en uit. Ver vóór de weggebruiker (bij kleine hoeken tussen reflectie en rijrichting) zullen door de dikte van de constructiedelen een groot deel van de tijd veel van de reflecties worden afgeschermd. Dichter bij de weggebruiker worden openingen groter ten opzichte van de afgeschermde delen, waardoor de aan -periodes van de reflecties groter worden ten opzichte van de uit -periodes. De grootte (visuele hoek) van de reflectie. Bij een ideaal spiegelend oppervlakte is de grootte van de reflectie het kleinst. Bij de zon is dit een reflectie met een diameter van 0,5 graden. Als het oppervlak van het materiaal wat ruwer is dan zal de reflectie groter worden. Als de afmetingen van de reflectie een of meerdere verticale constructiedelen overlappen dan zal de modulatiediepte kleiner worden, en daarmee naar verwachting minder hinderlijk voor de weggebruikers Resultaten Wanneer en hoe vaak? In figuur 6 en figuur 7 is weergegeven hoe vaak de zon overdag een reflectie veroorzaakt in een geluidscherm die zodanig is dat deze binnen een bepaalde hoek valt met de blikrichting (verblindingshoek ϕ). Hierbij wordt er vanuit gegaan dat de blikrichting gelijk is aan de rijrichting. Verder wordt verondersteld dat het nooit bewolkt is. In werkelijkheid is het maar ongeveer een derde van de tijd onbewolkt (Alferdinck, 2004a). De oriëntatie van het geluidscherm is gelijk aan de rijrichting. % tijd overdag met verblindingshoek kleiner dan φ 2 1,5 1 0,5 ε scherm = 0 o φ=5 φ=10 φ= oriëntatie scherm (graden t.o.v. noord) Figuur 6 Percentage van de tijd overdag dat de verblindingshoek van de zonreflectie ten opzichte van de rijrichting kleiner is dan een bepaalde waarde. De helling van het geluidscherm is 0 graden.

13 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 % tijd overdag met verblindingshoek kleiner dan φ 2 1,5 1 0,5 ε scherm = 15 o φ=5 φ=10 φ= oriëntatie scherm (graden t.o.v. noord) Figuur 7 Percentage van de tijd overdag dat de verblindingshoek van de zonreflectie ten opzichte van de rijrichting kleiner is dan een bepaalde waarde. De helling van het geluidscherm is 15 graden. % tijd overdag met verblindingshoek kleiner dan φ ε scherm = 30 o φ=5 φ=10 φ= oriëntatie scherm (graden t.o.v. noord) Figuur 8 Percentage van de tijd overdag dat de verblindingshoek van de zonreflectie ten opzichte van de rijrichting kleiner is dan een bepaalde waarde. De helling van het geluidscherm is 30 graden.

14 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / kans dat reflectie valt binnen φ (%) verblindingshoek φ (graden) ε = 0 ε = 15 ε = 30 ε = -15 Figuur 9 Percentage van de tijd overdag, gemiddeld over het jaar en alle rijrichtingen dat de verblindingshoek van de zonreflectie kleiner is dan een bepaalde waarde. De helling van het geluidscherm is ε. Er is geen rekening gehouden met bewolking. Het blijkt dat reflecties met kleine verblindingshoeken, zoals verwacht, het meeste optreden bij als de weg loopt in oostelijke of westelijke richting. In noordelijke richting komen geen kleine verblindingshoeken voor. In zuidelijke richting is dat alleen het geval als het geluidscherm met een hoek achterover helt (figuur 7 en figuur 8). In figuur 6 is te zien dat er net naast het westen en het oosten meer kans is dan op verblinding als precies in deze richtingen. Dit effect wordt veroorzaakt door het feit dat in dit geval de reflecties optreden in het voor- en najaar. In figuur 9 is de kans weergegeven dat de reflectie van de zon binnen een verblindingshoek valt gemiddeld over het jaar en alle rijrichtingen. Hieruit blijkt dat voor vlakke schermen met een hellingshoek tussen 0 en 30 graden de kans dat de verblindingshoek kleiner is dan 20 graden lager is dan 0,6%. De kans dat de reflectie binnen 90 graden valt is ongeveer 10%. Als het geluidscherm helt in de richting van de weg wordt de kans op een reflectie aanzienlijk verminderd. Bij een ε = -15 graden is de kans dat de reflectie binnen 20 graden valt nog maar 0,05% Zonnehoogten Als bepaalde verblindingshoeken optreden is ook uit te rekenen welke zonnehoogten daarbij horen. Hieruit kan dan weer de luminantie van de zon en de verlichtingsterkte van de zon berekend worden. Uit een eerste ruwe schatting volgt dat voor verblindingshoeken tot 20 graden de zonnehoogten voorkomen die ongeveer de helft zijn van de verblindingshoek. Dat betekent dus dat bij een verblindingshoek van 20 graden de zonnehoogte maximaal 10 graden is Luminanties en afmetingen Uit de bovengenoemde gegevens is de schatting gemaakt van de luminanties van de reflecties in geluidschermen met gladde doorzichtige materialen en aluminium. Deze zijn in tabel 1 weergegeven.

15 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Tabel 1 Berekende luminanties van de reflecties in geluidschermen met gladde transparante materialen (glas, PMMA, polycarbonaat)en aluminium. Merk op dat de luminanties zijn gegeven in Mcd/m 2 (= cd/m 2 ). L = luminantie; E = verlichtingssterkte; D = diameter van de zon of de reflectie (visuele hoek). Verblindings -hoek (graden) hoogte (graden) Zon Reflectie in transparante materialen Reflectie in aluminium L E Reflectie L diameter Luminantie L (Mcd/m 2 ) (lx) (Mcd/m 2 ) (graden) -factor (Mcd/m 2 ) 5 2, , , , , , ,44 4, , , ,15 6 diameter (graden) De afmetingen van de reflecties (visuele hoek in graden) in de gladde transparante materialen zijn gelijk aan de die van de zon, namelijk rond met een diameter van 0,5 graden. De afmetingen van de reflecties in het aluminium zijn groter, afhankelijk van de invalshoek en variëren van 4 tot 6 graden. Deze gegevens zijn door interpolatie en extrapolatie uit figuur 5 afgeleid, waarbij de verblindinghoek gelijk is aan 90 graden min de invalshoek Radiance In het programma Radiance is een weg gemodelleerd met een geluidscherm. Hiermee zijn aan aantal berekeningen en visualisaties uitgevoerd. In figuur 10 is een eenvoudig geluidscherm van aluminium te zien waarvan in figuur 5 de luminantiefactoren zijn weergegeven. Het is duidelijk te zien dat het licht van de zon wordt uitgesmeerd over een vlek die groter is dan de diameter van de zon. De maximum luminantie ligt ongeveer tussen en cd/m 2. Figuur 11 laat een Radiance plaatje zien waarbij rekening is gehouden met de verstrooiing van het licht in het oog (disability glare). Met programma Radiance is een filmpje gemaakt met een flikkerende reflectie in een geluidscherm. Dit geeft een duidelijke illustratie van het effect van de flikkering. Hierbij is gebruik gemaakt van het geluidscherm zoals dat in figuur 11 is weergegeven. Meer specifieke berekeningen met Radiance zijn mogelijk.

16 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Figuur 10 Luminantieplaatje berekent met Radiance. Het materiaal van het geluidscherm is van aluminium.

17 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Figuur 11 Luminantieplaatje berekent met Radiance. In dit plaatje is rekening gehouden met strooilicht in het oog. 2.3 Lichtmetingen Meetmethode De lichtmetingen zijn uitgevoerd met een luminantiecamera vanuit een stilstaande of rijdende auto. De luminantiecamera (fabrikaat: TechnoTeam, Bildverarbeitung GmbH, type: LMK96 CF8/4 DX, Serienummer: ) is een digitale camera die zodanig geijkt is dat de waarde van elk pixel (0-255) in het beeld kan worden vertaald naar een luminantie (cd/m²). De camera was gemonteerd achter de voorruit van een Astra station wagon, 15 cm rechts naast de binnenspiegel en 1,2 m boven het wegdek. Dit komt overeen met de ooghoogte van de bestuurder in deze auto. De luminantiecamera werd gebruikt met een objectief van 8 mm (Nr. 274). De afmetingen van het beeldveld zijn 43 x 33 graden. De grootte van de luminantiebeelden bedraagt pixels Meetlocaties Op 28 november 2006 tussen 9 en 10 uur s morgens is er gemeten op de A2 nabij Beesd tussen hectometerpaal 79,6 en 80,2. Het geluidscherm staat aan de oostzijde. Het is gemaakt van 15 mm dik PMMA. Het scherm is transparant met om de 12 cm een gematteerde strook van 2 cm. Het geluidscherm is opgebouwd uit drie vlakke stroken van ongeveer 1 m hoog, die elk met een hoek van 15 graden van de weg af hellen (Eelman, 2005). De metingen zijn uitgevoerd, tegen de zon in kijkend, vanuit een stilstaande auto

18 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 op de vluchtstrook direct naast het geluidscherm en vanuit een auto rijdend ongeveer in zuidelijke richting aan de andere kant van de autosnelweg. De weg loopt in zuidelijke richting met een kompashoek van 137 graden. Tijdens de metingen was een groot deel van het scherm bedekt met dauw Resultaten In figuur 12 is een voorbeeld gegeven van een plaatje dat gemaakt is met een luminantiecamera. De opnamen zijn door de achterruit van de auto gemaakt omdat zon van achteren kwam en de reflectie dus achter de auto optrad. De maximum luminantie van de reflectie van de zon in het geluidscherm is ongeveer cd/m 2. Grootte (horizontaal) van de reflectie is 2,9 graden bij cd/m 2. Bij is een grootte van 12 graden is de luminantie cd/m 2. Figuur 12 Luminantieplaatje van geluidscherm op de A2. De getallen bij de kleuren rechts zijn cd/m 2.

19 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Conclusies Uit de berekeningen aan de reflecties van zonlicht in geluidschermen kunnen de volgende conclusies worden getrokken: Hinderlijke zonnereflecties in geluidschermen kunnen optreden in specifieke situaties, waarbij meestal sprake is van een lage zonnestand en een naar het westen of oosten georiënteerd geluidscherm. Voor vlakke geluidschermen met een hellingshoek tussen 0 en 30 graden is de kans dat de verblindingshoek kleiner is dan 20 graden lager is dan 0,6%. Als het geluidscherm helt in de richting van de weg (-15 graden) wordt de kans op een reflectie aanzienlijk verminderd en is deze kans nog maar 0,05%. De maximum luminanties van de reflecties van gladde transparante materialen kunnen oplopen tot 3,10 8 cd/m 2. Voor aluminium is deze waarde ongeveer een factor 1000 lager. De afmetingen van de van de reflecties is bij gladde materialen gelijk aan de 0,5 graden (zonnediameter). Voor de meest kritische verblindingshoeken tussen 5 en 20 graden varieert bij aluminium de diameter van de reflectie tussen 4 en 6 graden. Hierbij is de verblindingshoek gelijk aan de hoek tussen de reflectie en de rijrichting. Bij de meting op de weg zijn luminanties gemeten met een maximum rond cd/m 2. Dit komt in de buurt van de luminanties van het aluminium. Er zijn vooralsnog alleen berekeningen uitgevoerd met vlakke schermen. Andere vormen kunnen andere luminanties en afmetingen van reflecties opleveren. Bij holle schermen zal de grootte (afmeting) van de reflectie afnemen en bij bolle schermen zal de grootte van de reflectie toenemen. In theorie zal de luminantie van gladde materialen niet veel veranderen bij deze vormverandering. De totale hoeveelheid licht op het oog, in termen van verlichtingssterkte (evenredig met grootte x luminantie), zal echter wel veranderen en kan de hinder beïnvloeden. Bij complexe reflectie-eigenschappen kan wel een significante verandering van de luminantie en de grootte van de reflectie optreden.

20 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 3 Experiment in het laboratorium 3.1 Methode Algemeen Tijdens het uitvoeren van een rijtaak in het laboratorium werden proefpersonen geconfronteerd met een verblindingsbron waarmee de reflectie van de zon in een geluidscherm wordt gesimuleerd. Na blootstelling aan de verblindingsbron werd de proefpersonen gevraagd een subjectief oordeel te geven over de oncomfortabele hinder. Daarnaast werden ook objectieve variabelen als rijprestatie, oogbewegingen, en oogspierspanning gemeten. De eigenschappen van de verblindingsbron (luminantie, grootte, dynamische eigenschappen, verblindingshoek) en het lichtniveau van de achtergrond werden tijdens het experiment gevarieerd Opstelling De proefpersoon zit op een afstand van 3 meter van een scherm. Op het scherm (hoogte = 203 cm, breedte = 305 cm) is schematisch een perspectivisch beeld van een autosnelweg aangebracht (figuur 13). Op de hoogte van de horizon (122 cm) is in het scherm een LCD-scherm (hoogte = 12 cm, breedte = 16 cm) ingebouwd waarop een rijtaak wordt gepresenteerd. Aan de rechterkant is schematisch een geluidscherm weergegeven waarin op drie mogelijke posities de verblindingsbron kan worden aangebracht. De verblindingsbron staat achter het scherm en schijnt door een gat (diameter 30 cm) in het scherm. De gaten op de andere twee posities zijn afgesloten met afdekplaten maar kunnen desgewenst geopend worden om de lichtbron op een andere positie te zetten. Hierdoor kan de verblindingshoek, de tussen de blikrichting van de proefpersoon (monitor met rijtaak) en de verblindingsbron, worden gevarieerd. Figuur 13 Opstelling van het laboratoriumexperiment. In het midden van het scherm bevindt zich de monitor voor de rijtaak (zie figuur 14). Rechts naast het stuurwiel de schaal van De Boer (Zie tabel 4).

21 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Het scherm wordt verlicht door vier spots (fabricaat: Bowens, 1000 Watt, halogeen). Op deze manier kunnen twee condities gemaakt worden van de achtergrondluminantie. Met ingeschakelde spots is de luminantie 1000 cd/m 2 in het midden boven de horizon. Als de spots uit zijn is deze luminantie 56 cd/m 2. Verblindingsbron De verblindingsbron bestaat uit een samenstel van 61 witte LEDs met elk een reflector met een diameter van 30 mm (figuur 15) De LEDs zijn verdeeld in 4 groepen die apart kunnen worden aangestuurd. Op deze manier kan een verblindingsbron worden gemaakt met verschillende groottes die (behalve voor kleinste grootte (groep 1) zeskantig zijn. Als alle groepen zijn ingeschakeld dan is de verblindingsbron het grootst. In tabel 2 staan de diameters in mm en in graden (visuele hoek gezien vanuit de proefpersoon) van de gebruikte groottes in het experiment. Op de kleinste grootte na worden de zeskantige vormen benaderd door cirkels. In figuur 15 wordt dit verduidelijkt. De verblindingsbron heeft een lichtbundel met een breedte van 6,5 graden en werd bij elke verandering van proefpersoon of verblindingshoek opnieuw uitgericht. Tabel 2 Maten van de vier verblindingsbron. Zie ook figuur 15. Grootte nummer Diameter (mm) Diameter (in graden op 3 m afstand) 1 26,5 0, ,7 1, ,7 2, ,6 4,74 Door middel van een computer werden de grootte, luminantie, duur en de knipperfrequentie van de verblindingsbron gevarieerd. Om voldoende bereik te krijgen werden de LED s aangestuurd door een combinatie van stroomaansturing en pulsbreedtemodulatie. Hierdoor kon de luminantie ongeveer een factor 45 gevarieerd worden. De modulatiefrequentie was 1000 Hz zodat het knipperen onzichtbaar was voor het menslijk oog. De luminantie van de verblindingbron werd ingesteld op vijf verschillende niveaus van 0,052; 0,10; 0,29; 0,95 en 2,29 Mcd/cd/m 2. De combinatie van deze luminantieniveaus met de vier verschillende grootten van de verblindingsbron en drie verschillende verblindingshoeken resulteert in 60 verschillende verlichtingssterkten op het oog van de proefpersoon tussen 2,5 en lx. Rijtaak De rijtaak is zo ontworpen dat deze zo veel mogelijk overeenkomt met de taak een weggebruiker op de autosnelweg (zie ook Alferdinck, 2004b). Er werd een programma van een rijsimulator gebruikt om een dynamisch beeld van een autosnelweg met 2 x 2 rijstroken te simuleren op het LCD-scherm (figuur 14). De rijstrookbreedte was 3,5 m. De weg was zonder bochten maar de proefpersoon moest wel voortdurend bijsturen omdat er een willekeurige variërende zijwind werd gesimuleerd die de koers van de auto beïnvloedde. De combinatie van een snelheid van 100 km/h en de zijwind van het stuursignaal van maximaal 5 graden bleek een geschikte moeilijkheid van de rijtaak op te leveren. Wanneer de auto meer dan 2,5 m links of rechts van het midden van de rijstrook kwam werd de proefpersoon gewaarschuwd door een geluidsignaal en moest de proefpersoon de koers van de auto corrigeren. Als de proefpersoon het gaspedaal intrapte dan werd de auto binnen een paar seconden op een constante snelheid gebracht (cruise control).

22 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Figuur 14 Monitor met de rijtaak. Zie ook figuur 13. De spots die het scherm verlichtten hadden een kleine invloed op de luminanties van de rijtaak. Als de spots waren ingeschakeld (hoge achtergrondluminantie) dan was de luminantie van de wegbelijning 89 cd/m 2 en van de weg 27 cd/m 2 ; bij uitgeschakelde spots (lage achtergrondluminantie) was de luminantie van de wegbelijning 76 cd/m 2 en van de weg 14 cd/m 2.

23 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Figuur 15 LED-lamp bestaande uit 61 witte LEDs met reflector. Per reflector heeft het uitstralend oppervalk een diameter van 26,5 mm diameter. De LEDs kunnen per groep (1 t/m 4) worden aangestuurd. De gestippelde lijnen geven de grootte aan als de lichtbron wordt benaderd door een cirkel. Maten in mm.

24 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Procedure Per proefpersoon was de procedure als volgt. Nadat de proefpersoon globaal de gang van zaken tijdens het experiment was uitgelegd en de proefpersoon de proefpersooninstructie had gelezen (zie bijlage A) werden de gegevens van de proefpersoon (leeftijd, gezichtsscherpte, kleurenzien, et cetera) vastgelegd. Daarna werden elektroden opgeplakt voor het meten van de oogspierspanning. Vervolgens werd een oefenblok gemeten. Hierbij moest de proefpersoon rijden en werden 8 verblindingstimuli aangeboden van verschillend niveaus en dynamische eigenschappen. Daarna werden de stimuli aangeboden in 5 blokken (zie Condities). Bij het begin van de rit moet de proefpersoon het gaspedaal intrappen om de rijtaak te laten starten. De proefpersoon werd geïnstrueerd de auto zo goed mogelijk binnen de lijnen te houden. Als de auto minstens 3 seconden op koers binnen de lijnen bleef werd kan de stimulus worden aangeboden op een willekeurige tijd tussen 6,4 en 10,4 seconden na dit tijdstip. Na de aanbieding van de stimulus werd de rijtaak gestopt en moest de proefpersoon een oordeel geven over de oncomfortabele verblinding op de schaal van 1 tot en met 9 van De Boer. Deze score werd door de proefleider ingevoerd in de computer. Daarna werd meteen gestart met de volgende rit tot dat het blok was afgewerkt. Elk blok duurde ongeveer een kwartier. Inclusief de rustpauzes, voorbereiding en instructie duurde het experiment per proefpersoon ongeveer 2,5 tot 3 uur Condities Aan elke proefpersoon werden 5 blokken met elk 40 stimuli aangeboden. De blokken staan vermeld in tabel 3. In blok 1 t/m 4 werden 20 combinaties van 5 luminanties en 4 grootten aangeboden. Hierbij was de verblindingsbron telkens 5 seconden continu aan (geen knipperen). Tijdens deze 4 blokken werden de luminanties gevarieerd over 5 niveaus en 4 groottes van de verblindingsbron. Deze combinatie werd binnen deze blokken twee maal aangeboden zodat er totaal 40 aanbiedingen waren binnen elk blok. In blok 5 werden de dynamische aspecten gemeten. Er werd een combinatie van 5 frequenties, 4 aanbiedingsduren en 2 luminanties gepresenteerd, hetgeen weer 40 aanbiedingen is. Bij blok 4 was de achtergrondluminantie laag, bij de andere 4 blokken was de achtergrondluminantie hoog. Alle stimuli binnen een blok werden door de computer op een willekeurige volgorde gezet. Elke proefpersoon kreeg de 5 blokken in een andere volgorde aangeboden. Tabel 3 Blok Overzicht van aangeboden blokken en de waarden van de verschillende parameters. Voor de maten van de verblindingsbron zie tabel 2. Luminantie (Mcd/m 2 ) Oefen 1 0,052 t/m 2,3 2 0,052 t/m 2,3 3 0,052 t/m 2,3 4 0,052 t/m 2,3 5 0,052 en 0,29 Frequentie (Hz) Duur (s) Grootte verblindingsbron Verblindingshoek (graden) Achtergrondluminantie (cd/m 2 ) 8 verschillende combinaties 1 t/m hoog 1 t/m hoog 1 t/m hoog 1 t/m laag 3 0, 1, 2, 5, 10 2,5; 10; hoog

25 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Gemeten variabelen Tijdens het experiment werden 1 subjectieve en 3 objectieve maten gemeten die (mogelijk) samenhangen met oncomfortabele verblinding. Oncomfortabele verblinding (De Boer schaal) Na elke stimulus werd de subjectieve score van de oncomfortabele verblinding gemeten op de schaal van De Boer (1967). In tabel 4 staan de waarden en de benamingen van de schaal vermeld. De proefpersonen mochten ook scoren in cijfers achter de komma. Merk op dat een hoge score op de schaal overeenkomt met weinig verblinding. Tabel 4 Schaal voor het beoordelen van oncomfortabele verblinding (discomfort glare) volgens De Boer (1967) (zie ook Alferdinck & Varkevisser, 1991). Score Benaming 9 Niet noemenswaardig 8-7 Acceptabel 6-5 Nèt toelaatbaar 4-3 Storend 2-1 Ondraaglijk Rijprestatie Tijdens de rijtaak werd de positie van de auto op de weg gelogd. Hieruit werd een maat afgeleid voor de rijprestatie. Oogspierspanning De elektrische spanning die door de oogspieren wordt opgewekt hangt samen met de oncomfortabele verblinding (Murray et al., 2002). Deze spanning geeft dus een objectieve maat voor oncomfortabele verblinding. Deze werd gemeten met een mobiel systeem (Mobi). De signalen werden afgeleid van drie elektroden die bij de proefpersoon rond het rechteroog werd geplakt (figuur 16). Het signaal werd gefilterd door een hoogdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 1 Hz. Deze data werden opgeslagen op een geheugenkaart die later verder werden geanalyseerd. Eerst werd een bandfilter toegepast waarbij alleen frequenties tussen 180 Hz en 220 Hz werden doorgelaten. Vervolgens werd de energie in deze band berekend door het signaal te kwadrateren (variantie). Daarna werd de energie uitgerekend voor de perioden voor en tijdens de stimulus. In de literatuur is dit signaal evenredig met de logaritme van de verlichtingssterkte op het oog (Murray et al., 2002).

26 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Figuur 16 Proefpersoon met elektrodes voor het meten van de oogspierspanning. Oogbeweging De oogbeweging van de proefpersoon werd gemeten met een Tobii-systeem. Het werkt met een infrarode lichtbron die op de ogen schijnt en de camera die de stand van de pupil registreert. Voorafgaande aan de proef moest elke proefpersoon naar een aantal vaste ijkpunten op het scherm kijken. Hiermee werd het systeem geijkt en was voor elk punt op het scherm bij benadering de kijkrichting (x,y) in graden bekend Proefpersonen Aan het laboratoriumexperiment werd deelgenomen door 18 proefpersonen (7 vrouwen, 11 mannen) met een gemiddelde leeftijd van 28,3 jaar (20 tot 55 jaar). De proefpersonen hadden allen een normale gezichtscherpte. Een van de proefpersonen had een kleurzienafwijking. Alle proefpersonen waren in het bezit van een rijbewijs. 3.2 Resultaten Oncomfortabele verblinding Verblindingshoek In figuur 17 is de oncomfortabele verblinding uitgezet tegen de verblindingsverlichtingssterkte. De verblindingsverlichtingssterkte is de totale hoeveelheid licht die van de lichtbron op het oog valt en hangt sterk samen met de oncomfortabele verblinding. Bij een lage verblindingsverlichtingssterkte is de score op de De Boer schaal hoog, wat betekent dat de oncomfortabele verblinding laag is (zie tabel 4). Bij hoge verblindingsverlichtingssterkten is de verblinding hoog, wat dus lage cijfers oplevert op de De Boer schaal. Voor grote verblindingshoeken is de oncomfortabele verblinding lager dan voor kleine verblindingshoeken. Dit effect komt voornamelijk tot uiting tussen 100 en 1000 lx, op het midden van de S-vormige kromme.

27 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 oncomfortabele verblinding (de Boer score) graden 10 graden 20 graden Model, 5 graden Model, 10 graden Model, 20 graden verblindingsverlichtingssterkte (lx) Figuur 17 Oncomfortabele verblinding als functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de verblindingshoek. De achtergrondluminantie is hoog. De spreidingsaanduiding is de standaardfout (SEM). Om de invloed van de verschillende factoren beter te kunnen kwantificeren zijn de datapunten gefit met een model waarmee in een eerder onderzoek naar oncomfortabele verblinding van koplampen de gemeten data goed beschreven kon worden (Alferdinck, 1999). De formule van het model is als volgt: R n E 9 8 n (2) E + E5 = n Hierin is R de oncomfortabele verblinding volgens de schaal van de Boer, E de verblindingsverlichtingssterkte (lx), E 5 is de verblindingsverlichtingssterkte bij een oncomfortabele verblindingscore van 5 (nèt toelaatbaar) en n een exponent. De waarden van E5 voor de gefitte krommen in figuur 17 zijn 123, 209 en 354 lx voor respectievelijke verblindingshoeken van 5, 10 en 20 graden. De waarde van de exponent is 0,62. Dat betekent dus dat bij een hoek van 20 graden de proefpersonen bijna 3 keer zoveel licht verdragen dan bij een hoek van 5 graden. In hoofdstuk 5 zal uitgebreider op het model van formule (2) worden ingegaan.

28 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 oncomfortabele verblinding (de Boer score) graden Lb = laag Lb = hoog Model, Lb = laag Model, Lb = hoog verblindingsverlichtingssterkte (lx) Figuur 18 Oncomfortabele verblinding als functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de achtergrondluminantie L b. De verblindingshoek is 10 graden Achtergrondluminantie Figuur 18 toont het effect van de achtergrondluminantie. In deze figuur zijn de twee niveaus van de achtergrondluminantie vergeleken bij een verblindingshoek van 10 graden. Het blijkt dat bij een hoge achtergrondluminantie de oncomfortabele verblinding lager is. Dit is als volgt te begrijpen. Als de luminantieverhoudingen in het gezichtsveld groot zijn wordt over het algemeen meer hinder ervaren. Bij een hoge achtergrondluminantie worden de verhoudingen kleiner waardoor de hinder dus vermindert. Bij een score van 5 is de verblindingsverlichtingssterkte 137 en 223 lx voor respectievelijk de lage en hoge achtergrondluminantie, met een exponent van 0,62. De kromme verschuift dus een factor 223/137 = 1,63 naar rechts terwijl de achtergrondluminantie een factor 1000/56 = 17,9 hoger is geworden. Kennelijk blijft de oncomfortabele verblinding, voor de range van achtergrondluminanties in het experiment, niet constant als de verblindingsverlichtingssterkte en de achtergrondluminantie met dezelfde factor stijgen. Anders gezegd: Voor hetzelfde niveau van verblinding is de verhouding (contrast) tussen verblindingsverlichtingssterkte en de achtergrondluminantie niet constant Grootte verblindingsbron Het effect van de grootte van de verblindingbron wordt weergegeven in figuur 19 tot en met figuur 21. In deze grafieken zijn de datapunten met elkaar verbonden die behoren bij dezelfde grootte van de verblindingsbron. Bij elke grootte komen 5 datapunten voor die corresponderen met de 5 verschillende luminanties. Het spreekt vanzelf dat de hoogste verbindingslichtsterkten optreden bij de combinatie van de hoogste luminanties en de grootste afmetingen van de verblindingsbron, en omgekeerd, de laagste verbindingslichtsterkten bij combinatie van de laagste luminanties en de kleinste afmetingen van de verblindingsbron. Als de oncomfortabele verblinding alleen afhankelijk zou zijn van de verblindingsverlichtingssterkte dan zouden de datapunten van de verschillende groottes precies in elkaars verlengde moeten liggen. Dit is echter niet het geval voor een verblindingshoek van 5 graden. Dat is weergegeven in figuur 19. Bijvoorbeeld, bij een

29 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 verblindingsverlichtingssterkte van 30 lx liggen de lijn van de datapunten voor een grootte van 1 veel hoger dan de datapunt van grootte 2. Dezelfde verschillen zijn te zien tussen de lijnen andere grootten. Dat betekent dus dat bij dezelfde hoeveelheid licht op het oog (verlichtingssterkte in lx), een grote verblindingsbron als oncomfortabeler wordt ervaren als een kleinere verblindingsbron. Dit effect verdwijnt echter als de verblindingshoek groter wordt. Dat is te zien in figuur 20 bij een verblindingshoek van 10 graden en in figuur 21 voor een verblindingshoek van 20 graden. Bij 20 graden liggen de datapunten van de verschillende grootten in elkaar verlengde en is dus de oncomfortabele verblinding alleen nog afhankelijk van de verblindingsverlichtingssterkte. Bij 10 graden is er nog een klein effect van de grootte te zien. Het hier gevonden effect dat grote lichtbronnen, bij dezelfde verblindingsverlichtingssterkte meer oncomfortabele verblinding geven als kleine lichtbronnen is in tegenspraak met eerdere studies. Bij onderzoek naar de verblinding van autokoplampen werd tegenovergestelde effect gevonden dat kleinere lichtbronnen geven meer oncomfortabele verblinding geven dan grote lichtbronnen (Alferdinck & Varkevisser, 1991). Mogelijk is dit verschil te verklaren door de grootte van de verblindingsbronnen die in de experimenten is gebruikt. De koplampen varieerden in equivalente diameter van 0,03 tot 0,4 graden. In het huidige experiment zijn grote diameters gebruikt tussen 0,5 en 4,7 graden. Een andere verklaring kan zijn dat niet de afstand (in visuele hoek) van de blikrichting tot het midden van verblindingsbron belangrijke maat is voor de beschrijving van de verblinding, maar de afstand van de blikrichting tot de rand van de verblindingsbron. In het geval van een verblindinghoek van 5 graden en grootte van 4 (diameter = 4,74 graden) is de afstand tot de rand 5-4,74/2 = 2,6 graden. Dat is een veel kleinere verblindingshoek dan 5 graden. Bij grootte 1 (diameter = 0,51 graden) is dat 4,75 graden, waardoor het effect van de grootte dus minder is. Het effect van grootte lijkt er ook alleen te zijn als de verlichtingssterkte per grootte laag is (twee linker punten per grootte). Voor de hoogste verlichtingssterkten, de rechter uiteinden van de datapunten per grootte komen de krommes bij elkaar en volgen ze de basiskromme.

30 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 oncomfortabele verblinding (de Boer score) grootte=1, hoek=5 gr grootte=2, hoek=5 gr grootte=3, hoek=5 gr grootte=4, hoek=5 gr verblindingsverlichtingssterkte (lx) Figuur 19 Oncomfortabele verblinding als functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de grootte van de verblindingsbron. De verblindingshoek is 5 graden. oncomfortabele verblinding (de Boer score) grootte=1, hoek=10 gr grootte=2, hoek=10 gr grootte=3, hoek=10 gr grootte=4, hoek=10 gr verblindingsverlichtingssterkte (lx) Figuur 20 Oncomfortabele verblinding als functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de grootte van de verblindingsbron. De verblindingshoek is 10 graden.

31 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 oncomfortabele verblinding (de Boer score) grootte=1, hoek=20 gr grootte=2, hoek=20 gr grootte=3, hoek=20 gr grootte=4, hoek=20 gr verblindingsverlichtingssterkte (lx) Figuur 21 Oncomfortabele verblinding als functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de grootte van de verblindingsbron. De verblindingshoek is 20 graden Knipperfrequentie Figuur 22 toont de oncomfortabele verblinding als functie van de knipperfrequentie van de verblindingsbron, voor twee lichtniveaus van de verblindingsbron. De resultaten zijn gemiddeld over alle aanbiedingsduren tussen 2 en 20 seconden. De verblinding neemt toe (lagere score) naarmate de frequentie toeneemt. Hoe sneller de verblindingsbron knippert hoe hinderlijker het wordt gevonden. Dat geldt echter alleen voor frequenties van 1 Hz en hoger. Bij een frequentie van 0 Hz, als het licht continue aan is, neemt de hinder weer iets toe. Dit zou veroorzaakt kunnen worden door het feit dat vergeleken met de situatie waarbij het licht continue aan is (0 Hz) het licht bij een frequentie van 1 Hz (licht om de 0,5 s aan en uit) het licht de helft van de tijd uit is, en dus minder hinderlijk. Waarschijnlijk kunnen de scores op de schaal van De Boer van continue en knipperende lichtbronnen beter met elkaar vergeleken worden als de gemiddelde verlichtingssterkte van de stimulus gelijk is.

32 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 oncomfortabele verblinding (de Boer score) Gemiddeld Haag lichtniveau Hoog lichtniveau Figuur frequentie (Hz) Oncomfortabele verblinding als functie van de knipperfrequentie van de verblindingsbron. De verblindingshoek is 10 graden. Er is gemiddeld over alle aanbiedingsduren tussen 2 en 20 seconden. Er is geen verschil in de trend tussen laag en hoog licht niveau van de verblindingsbron. De vorm van de krommen in figuur 22 zijn gelijk. Dat betekent dat er geen interactie is tussen de knipperfrequentie en het lichtniveau van de verblindingsbron. oncomfortabele verblinding (de Boer score) Gemiddeld Laag lichtniveau Hoog lichtniveau 2.5 Figuur duur (s) Oncomfortabele verblinding als functie van de aanbiedingsduur. De verblindingshoek is 10 graden. Er is gemiddeld over alle frequenties tussen 0 en 10 Hz Duur De invloed van de aanbiedingsduur (aan-periode) op de oncomfortabele verblinding is weergegeven in figuur 23. Er is gemiddeld over alle frequenties tussen 0 en 10 Hz. Hieruit blijkt dat de oncomfortabele verblinding toeneemt naarmate de verblindingsbron

33 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 langer aanstaat. Dat geldt in elk geval voor tijden korter dan 10 s. Als de aanbiedingsduur langer dan 10 s is neemt de verblinding niet meer toe. Net als bij de knipperfrequentie is er bij de aanbiedingsduur geen verschil in de trend tussen laag en hoog licht niveau van de verblindingsbron. De vorm van de krommen in figuur 23 zijn gelijk. Dat betekent dat er geen interactie is tussen de aanbiedingsduur en het lichtniveau van de verblindingsbron Rijprestatie De rijprestatie is uitgedrukt in de standaarddeviatie van de dwarspositie van de auto op de weg. Hoe groter de standaarddeviatie is hoe meer de auto uit de koers is geraakt en hoe slechter de rijprestatie is. In figuur 24 is deze maat voor de rijprestatie uitgezet als functie van de verblindingsverlichtingssterkte. Het blijkt dat de rijprestatie onafhankelijk is van de verblindingsverlichtingssterkte tot een verlichtingssterkte van 4000 lx. Daarboven wordt neemt de rijprestatie af. Deze afname gaat sneller als de omgevingsluminantie lager is. In figuur 25 is te zien dat de rijprestatie vooral afneemt voor kleine verblindingshoeken van 5 graden rijprestatie (stdev dwarspositie) verblindingsverlichtingssterkte (lx) Lb = laag Lb = hoog Figuur 24 Rijprestatie (in standaarddeviatie van de dwarspositie) functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de achtergrondluminantie L b. De rijprestatie neemt af bij toenemende standaarddeviatie. De verblindingshoek is 10 graden.

34 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / rijprestatie (stdev dwarspositie) gr 10 gr 20 gr verblindingsverlichtingssterkte (lx) Figuur 25 Rijprestatie (in standaarddeviatie van de dwarspositie) functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de verblindingshoek. De rijprestatie neemt af bij toenemende standaarddeviatie. De achtergrondluminantie is hoog Oogspierspanning De activiteit van de oogspierspanning wordt gemeten uitgedrukt in termen van de variantie in het gemeten signaal (power). Om de invloed van de verblindingsbron goed te kunnen meten werd de variantie tijdens de aan-periode gedeeld door de minimale variantie tijdens het blok van 40 aanbiedingen. Deze maat is in figuur 26 uitgezet tegen de verblindingsverlichtingssterkte, voor een lage en hoge achtergrondluminantie. Het blijkt dat de oogspierspanning voor verblindingsverlichtingssterkten lager dan 2000 lx constant is. Pas boven 2000 lx neemt de spieractiviteit toe. Boven deze grens wordt de verblinding zo hinderlijk dat de proefpersonen beginnen te knijpen met de ogen en er veel spieractiviteit ontstaat. Er is geen verschil tussen de lage en hoge achtergrondluminantie.

35 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Lb=hoog Lb=laag variantie / minimale variantie Figuur verblindingsverlichtingssterkte (lx) Oogspierspanning (variantie / minimale variantie) als functie van de verblindingsverlichtingssterkte en de omgevingsluminantie L b. De verblindingshoek is 10 graden Oogbewegingen De oogbewegingen bleken moeilijk te meten te zijn bij de hoge achtergrondluminantie omdat de camera hierdoor de pupillen bij de meeste proefpersonen moeilijker kan waarnemen. Daardoor was er maar voor een gering aantal condities geschikte data beschikbaar. Daarom zijn de gegevens bij lage achtergrondluminantie het beste bruikbaar. In figuur 27 is de gemiddelde blikrichting (horizontale en verticale hoek) weergegeven tijdens de aanbieding van de het verbindingslicht voor een hoge en lage achtergrondluminantie. De blikrichting x=y=0 komt overeen met het verdwijnpunt van de weg. De getallen bij de datapunten is de verlichtingssterkte op het oog (lx) tengevolge van het verbindingslicht. Het blijkt dat voor de lage achtergrondluminantie de blikrichting bij toenemende verlichtingssterkte in richting gaat van de verblindingsbron gaat. De verblindingsbron staat op 10 graden, vrijwel rechts van het nulpunt (zie figuur 13). Blijkbaar worden de proefpersonen iets aangetrokken tot de verblindingsbron, met name als de verlichtingssterkte hoger is. De verwachting was dat bij hoge niveaus van de verblindingsverlichtingssterkte de blikrichting zich juist zou afwenden van de verblindingsbron. Wij hebben dus een klein effect gevonden dat eerder het tegendeel laat zien.

36 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Lb=laag, hoek=10 1 Lb=hoog, hoek=10 verticale hoek (graden) Figuur horizontale hoek (graden) Gemiddelde blikrichting (horizontale en verticale hoek) tijdens de aanbieding van het verbindingslicht voor een hoge en lage achtergrondluminantie. De getallen bij de datapunten zijn de verlichtingssterkten op het oog in lx. De verblindingshoek is 10 graden Maskerende verblinding Naast de oncomfortabele verblinding is ook de maskerende verblinding (Engels: disability glare) berekend voor de condities die in het experiment zijn gebruikt. De berekening is uitgevoerd met de algemene formule die door de CIE (2002) wordt aanbevolen. L s 10E A = θ 70 4 (3) Hierin is L s de sluierluminantie in cd/m 2, E de verblindingsverlichtingssterkte in lx, θ de verblindingshoek in graden, en A de leeftijd van de waarnemer in jaren. De sluierluminantie veroorzaakt een verlaging van het contrast van de wegbelijning van de rijtaak volgens de formule: C L L lijn weg = (4) Lweg Ls L lijn is de luminantie van de wegbelijning en L weg is de luminantie van de weg naast de lijn.

37 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 Voor de verblindingsverlichtingslichtsterkten die gebruikt zijn in het experiment zijn de sluierluminanties uitgerekend met formule (3), bij de drie verschillende verblindingshoeken en de gemiddelde leeftijd van de proefpersonen. Daarna is het contrast uitgerekend met formule (4) waarbij is uitgegaan van de luminanties van de wegbelijning en weg zoals die gemeten zijn op het beeldscherm van de rijtaak (figuur 14). De resultaten van deze berekeningen zijn weergegeven in figuur Lb=laag, hoek=20 Lb=hoog, hoek=20 Lb=laag, hoek=10 Lb=hoog, hoek=10 Lb=laag, hoek=5 Lb=hoog, hoek=5 drempelcontrast contrast Figuur verblindingsverlichtingssterkte (lx) Het contrast van de wegbelijning van de rijtaak als functie van de verblindingsverlichtingssterkte, de verblindingshoek en de achtergrondluminantie (L b ). Bij een lage verblindingsverlichtingssterkte is het contrast van de wegbelijning 4,4 en 2,3 voor respectievelijk de lage en hoge achtergrondluminantie. In beide gevallen is dan de wegbelijning goed zichtbaar omdat deze contrasten ruim boven de contrastdrempel van 0,05 liggen. Als de verblindingsverlichtingssterkte hoger wordt dan wordt de invloed van de maskerende verblinding merkbaar. Bij de kleinste verblindingshoek van 5 graden is de maskerende verblinding het grootst. Bij een verblindingsverlichtingssterkte van 3000 lx of meer zakt voor deze verblindingshoek het contrast onder de drempel en is de belijning niet meer zichtbaar. Bij een verblindingshoek van 10 graden ligt deze grens bij lx. Bij een verblindingshoek van 20 graden werd de contrastdrempel niet bereikt zodat de wegbelijning zichtbaar bleef. De bevindingen van deze berekeningen werden ook gerapporteerd door de proefpersonen. De berekende contrasten kloppen goed met de gemeten rijprestaties (figuur 25). Als de wegbelijning niet meer zichtbaar is dan neemt de rijprestatie sterkt af. Dat geldt vooral bij een verblindingshoek van 5 graden. In deze conditie neemt de rijprestatie sterk af als de verblindingsverlichtingssterkte boven 4000 lx komt. Bij een hoek van 10 graden begint de rijprestatie wat af te nemen boven de lx en bij 20 graden blijft de rijprestatie in een normaal niveau.

38 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / Conclusies Uit het laboratoriumexperiment zijn de volgende conclusies te trekken: De oncomfortabele verblinding neemt toe als de verblindingsverlichtingssterkte ten gevolge van de verblindingsbron op het oog toeneemt en de verblindingshoek kleiner wordt. De oncomfortabele verblinding neemt af als de achtergrondluminantie toeneemt. Een grote verblindingsbron wordt als hinderlijker ervaren dan een kleine verblindingsbron. Dit effect is tegen de verwachting in. Het effect treedt niet op bij verblindingshoeken van 20 graden en groter. Boven een verblindingsverlichtingssterkte van 4000 lx neemt de rijprestatie af. Dat geldt vooral voor kleine verblindingshoeken en lage achtergrondluminanties. De oogspierspanning neemt toe bij verblindingsverlichtingssterkten boven 2000 lx. Proefpersonen hebben de neiging om de ogen een beetje in de richting van de verblindingsbron te bewegen. Dit effect treedt vooral op als de verblindingsverlichtingssterkte hoog is. Door maskerende verblinding (disability glare) neemt het contrast van de wegbelijning af met toenemende verblindingsverlichtingssterkte. Bij een verblindingshoek van 5 graden is de wegbelijning van de rijtaak bij een verblindingsverlichtingssterkte hoger dan 3000 lx niet meer zichtbaar. Bij een hoek van 10 graden is dat lx en bij een hoek van 20 graden was de belijning steeds zichtbaar. Dit klopt goed met de gemeten rijprestaties die bij een hoek van 5 graden sterk afnamen boven 4000 lx en in mindere mate bij een hoek van 10 graden.

39 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 4 Experiment op de weg 4.1 Inleiding 4.2 Methode Om de resultaten van het laboratoriumexperiment te ondersteunen is er een experiment worden uitgevoerd in een rijdende auto op de weg. Het is de bedoeling inzicht te krijgen in met name de samenhang tussen de hinderlijke verblindingen en de achtergrondluminantie. In het laboratoriumexperiment was de hoogste achtergrondluminantie 1000 cd/m 2. In de praktijk op de weg kunnen die waarden hoger oplopen. Het is de vraag hoe de lichthinder bij deze hogere achtergrondluminanties ervaren wordt en hoe de in het laboratorium gemeten resultaten geëxtrapoleerd kunnen worden naar hogere achtergrondluminanties. Met helder zonnig weer is er langs een geluidscherm gereden op de autosnelweg. Van te voren is er nagegaan dat gezien oriëntatie van het geluidscherm, de datum en tijdstip van de dag, grote kans is op hinderlijke zonreflecties in het geluidscherm. De proefpersoon reed in de auto langs het geluidscherm en gaf een oordeel over de oncomfortabele verblinding op de De Boer schaal nadat een geluidscherm met zonreflectie was gepasseerd. De scoringschaal wordt voor en na de rit aan de proefpersoon getoond (zie tabel 4). Naast het noteren van de hinderlijke verblinding zijn ook de lichtomstandigheden vastgelegd. Er is een digitale fotocamera (Canon, 300D) zodanig geijkt dat de RGBwaarden van het beeld kunnen worden omgerekend naar luminanties. Door onderbelichting van de opnamen werd voorkomen dat een te groot deel van het beeld overbelicht was. De absolute afwijkingen worden geschat op enkele tientallen procenten. Deze camera is in een auto gebouwd en kan gemakkelijk tijdens het rijden worden bediend. Verder wordt de verlichtingssterkte op de voorruit van de auto gemeten. Daarnaast is een laptop computer ingericht om in de auto de oogspierspanning te meten op dezelfde manier als is gedaan in het laboratorium. 4.3 Resultaten Op 19 december 2007 zijn metingen verricht op de A16 ten westen van Breda. Het was onbewolkt weer. In de ochtend was de temperatuur onder het vriespunt. Hierdoor was een groot deel van het geluidsscherm tot een uur of half tien overdekt met rijp en was er geen sprake van lichthinder. Daarna zijn verschillende ritten uitgevoerd tot ongeveer 12 uur. Er werd gereden vanaf afslag 17 Breda-Prinsenbeek in zuidelijk richting tot knooppunt Galder, ongeveer tussen hectometerpalen 59 en 67. Daarnaast zijn op dezelfde dag metingen verricht aan een gebouw (ADO-stadion, Den Haag). Er zijn beoordelingen en lichtmetingen verricht aan de zonnereflectie in het glas van de ramen en de aluminium gevel. De waarnemingen werden verricht vanaf de parkeerplaats naast het gebouw. De waarnemer stonden naast de auto. Op verschillende momenten zijn opnamen gemaakt van de zonnereflectie. In figuur 29 is een voorbeeld te zien van een foto van een dergelijke situatie. Met behulp van een hiervoor

40 TNO-rapport TNO-DV 2008 C / 54 ontwikkeld beeldanalyseprogramma is een luminantieplaatje berekend (figuur 30). Hierin is voor elk pixel in het beeld de luminantie berekend aan de hand van de instellingen van de camera. Uit dit luminantieplaatje is de achtergrondluminantie afgeleid door een rechthoekig deel van het beeld boven de horizon te middelen. Daarnaast is de verlichtingsterkte op het berekend tengevolge van de zonnereflectie in het geluidscherm. Deze delen van het beeld zijn gemarkeerd met een rechthoek in het beeld. Figuur 29 Foto van een zonreflectie in een geluidscherm. Figuur 30 Luminantieplaatje van een zonreflectie in een geluidscherm. Totaal zijn door drie proefpersonen ruim 20 beoordelingen uitgevoerd. In tabel 5 zijn de resultaten van de wegmetingen weergegeven. Voor de twee verschillende locaties bevat de tabel de verlichtingssterkte E ten gevolge van de zonnereflectie, de gemiddelde