Часть 4. Системы человек-машина 2 страница

Временная диаграмма работы зрительного анализатора показана на рис. 3.10. В промежутке времени t₀ – t₃ на глаз человека действует световой сигнал. Зрительное ощущение этого сигнала начинается не в момент t₀, а в момент t_1. Промежуток времени t₀ – t_l представляет собой латентный период зрительного анализатора. Зрительное ощущение, возникнув в момент времени t₁ развивается не сразу, а постепенно и достигает своего максимального значения в момент t₂, после чего оно сохраняется в течение всего времени действия сигнала (раздражителя). После окончания воздействия раздражителя (момент t₃) зрительное ощущение исчезает не сразу, а также постепенно и заканчивается лишь в момент t₄. Промежуток t₃ – t₄ носит название времени инерции ощущения.

Рассмотренные особенности работы зрительного анализатора следует учитывать при организации деятельности оператора. Прежде всего, время действия сигнала не должно быть меньше времени инерции зрения, которое зависит от яркости и угловых размеров предметов (табл. 3.4). В противном случае воспринимаемый контраст и интенсивность сигнала будут во столько раз меньше действительных значений, во сколько время действия сигнала меньше времени инерции.

Сказанное имеет большое значение для правильного и четкого обнаружения сигнала. Однако только этого еще не достаточно для его опознания. Для опознания появляющихся знаков необходимо дополнительное время («выяснительный период», который обычно не может быть меньше 0,1 сек). При трудном различении (сложности знаков) процесс опознания становится еще более медленным, составляя для знаков средней сложности более 0,2 сек, а для знаков повышенной сложности – более 0,6 сек.

Если же возникает необходимость в последовательном реагировании оператора на дискретно появляющиеся сигналы, то период их следования должен быть не меньше времени сохранения ощущения, равного 0,2–0,5 сек. В противном случае будет замедляться точность и скорость реагирования, поскольку во время прихода нового сигнала в зрительной системе оператора еще будет оставаться образ предыдущего сигнала.

Критической частотой мельканий (КЧМ) называется та минимальная частота проблесков, при которой возникает их слитное восприятие. Эта частота зависит от яркости, размеров и конфигурации знаков (рис. 3.11). Зависимость КЧМ от яркости подчинена основному психофизическому закону

(3.13)

где а и с – константы, зависящие от размеров и конфигурации знаков, а также от спектрального состава мелькающего изображения.

Из формулы (3.13) и рис. 3.11 видно, что снижение величины f_кр, если это необходимо по каким-либо техническим причинам, может быть достигнуто путем уменьшения яркости знака, сокращения его размеров или упрощения Конфигурации. При обычных условиях наблюдения величина КЧМ лежит в пределах 15–25 Гц. При зрительном утомлении она, несколько понижается.

Вопрос о частоте мельканий имеет большое значение при решении двух видов инженерных задач. В тех случаях, когда необходимо, чтобы мелькания не замечались (например, при проектировании изображения на экран, в технике кино и телевидения), частота смены информации должна превышать f_кр и составлять не менее 40 Гц. При необходимости использовать мерцание для кодирования информации (например, для привлечения внимания оператора) следует иметь в виду, что наименьшее зрительное утомление будет при частоте мельканий 3-8 Гц.

К временным характеристикам зрительного анализатора относится и время адаптации. В процессе адаптации в значительной степени (до 108 раз) меняется чувствительность зрительного анализатора. Различают две формы адаптации: темновую (при переходе от света к темноте) и светловую (при обратном переходе). Время адаптации зависит от ее вида и составляет десятки минут при темновой адаптации и единицы и даже доли минут при светловой (рис. 3.12).

Весьма тесно связано с временными характеристиками зрительного анализатора и восприятие движущихся объектов. Минимальная скорость движения, которая может быть замечена глазом, зависит от наличия в поле зрения фиксированной точки отсчета. При наличии такой точки абсолютный порог восприятия скорости равен 1–2 угл. мин/сек, без нее – 15–30 угл. мин/сек. Эти данные получены в условиях, когда время предъявления не ограничено и составляет не менее 10–15 сек.

Для некоторых видов операторской деятельности процесс восприятия сводится к информационному поиску – нахождению на устройстве отображения объекта с заданными признаками. Такими признаками может быть проблесковое свечение, особая форма или цвет объекта, отклонение стрелки прибора за допустимое значение и т. д. Задача оператора заключается в нахождении такого объекта и характеризуется временем, затраченным на поиск.

Общее время информационного поиска равно

(3.14)

где , – соответственно время i-го перемещения взора и i-й фиксации; n – число шагов поиска (число фиксаций), затраченных для нахождения нужного объекта.

Время перемещения определяется углом скачка взора, время фиксации зависит от целого ряда факторов: свойств информационного поля, способа деятельности наблюдателя, степени сложности искомых элементов. Однако в условиях конкретного информационного поля (особенно при однородности его элементов) и конкретной задачи величина относительно постоянна и является характеристикой данных условий работы (табл. 3.5).

Учитывая, что в условиях конкретной задачи, при которых t_ф постоянно и t_n < t_ф, выражение (1.14) примет вид

(3.15)

Среднее значение времени поиска равно

(3.16)

Где – математическое ожидание числа шагов поиска (числа зрительных фиксаций, необходимых для нахождения предмета с заданными признаками).

Величина находится при построении математической модели информационного поиска. С учетом этого время равно

(3.17)

где N – общий объем (количество элементов) информационного поля; М – число элементов, обладающих заданным для поиска признаком; а – объем зрительного восприятия.

Объем зрительного восприятия ограничен, с одной стороны, объемом оперативной памяти (4–8 элементов), а с другой стороны, пространственными характеристиками зрения (размерами зоны ясного видения). Следует, однако, иметь в виду, что в процессе поиска размеры зоны ясного видения составляют примерно 10°. В итоге под объемом восприятия в данном случае следует считать то количество предметов (но не более 4–8), которое одновременно попадает в зону, ограниченную углом 10 1 горизонтальной и вертикальной плоскостях.

На основании формулы (3.17) можно определить основные требования к организации информационного поля с точки зрения минимизации времени поиска:

элементы поля следует располагать так, чтобы в объем фиксации, ограниченный зоной 10°, попадало не более чём 4–8 объекту;

следует по возможности уменьшать объем поля, не допуская нахождения в нем ненужных элементов;

искомые элементы следует выделять таким образом, чтобы обеспечить наименьшее время фиксации: наилучшим является выделение искомого элемента другим цветом или с помощью светового маркера, более плохие результаты получаются при его выделении проблесковым свечением или изменением размера и яркости (хотя эти способы более просты с точки зрения их технической реализации).

Характеристики слухового анализатора

В системах управления значительная часть информации поступает к человеку в форме звуковых сигналов. Отражающие эти сигналы ощущения вызываются действием звуковой энергии на слуховой анализатор. Он состоит из уха, слухового нерва и сложной системы нервных связей и центров мозга. В аппарат, обозначаемый термином «ухо», входят: наружное (звукоулавливающий аппарат), среднее (звукопередающий аппарат) и внутреннее (звуковоспринимающий аппарат) ухо. Ухо воспринимает определенные частоты звуков благодаря функциональной способности волокон его мембраны к резонансу. Физиологическое значение наружного и среднего уха заключается в проведении и усилении звуков. Слуховой анализатор человека улавливает форму волны, частотный спектр чистых тонов и шумов, осуществляет анализ и синтез в определенных пределах частотных компонент звуковых раздражений, обнаруживает и опознает звуки в большом диапазоне интенсивностей и частот. Слуховой анализатор позволяет дифференцировать звуковые раздражения и определять направление звука, а также удаленность его источника. Источником звуковых волн может быть любой процесс, вызывающий местное изменение давления или механические напряжения в среде. Слуховой аппарат человека воспринимает как слышимый звук колебания с частотой 16 Гц–20 кГц; ухо наиболее чувствительно к колебаниям в области средних частот – от 1000 до 4000 Гц. Звуки частот ниже 16 Гц называются инфразвуками, а выше 20 кГц – ультразвуками. Инфразвуки и ультразвуки также могут оказывать воздействие на организм, но оно не сопровождается слуховым ощущением.

Физически звук характеризуется амплитудой (интенсивностью), частотой и формой звуковой волны. Интенсивностью звукового сигнала принято считать силу звука в эрг/см²-сек. Так как сила звука пропорциональна квадрату звукового давления, то в практике психофизиологической акустики чаще всего используется непосредственно звуковое давление, выраженное в децибелах от исходного уровня, равного 0,0002 дин/см².

Сила звука в децибелах определяется выражением

(3.18)

где J – сила звука данного сигнала; J₀ – исходный уровень силы внука эталонного сигнала. Так как

(3.19)

(3.20)

где а – коэффициент пропорциональности; – звуковое давление; – исходный уровень давления.

Давление 0,0002 дин/м² при частоте 2000 Гц соответствует силе звука, равной 10⁹эрг/см²сек, и считается абсолютным порогом звукового анализатора.

В реальных условиях деятельности человеку приводится воспринимать звуковые сигналы на том или ином фоне. При этом фон может маскировать полезный сигнал, что, естественно, затрудняет его обнаружение. При разработке и конструировании акустических индикаторов задача борьбы с эффектом маскировки и поисков оптимального отношения интенсивности полезного сигнала к интенсивности шума (фона) является одной из важнейших.

Основными количественными характеристиками слухового анализатора являются абсолютный и дифференциальный пороги. Нижний абсолютный порог соответствует интенсивности звука в децибелах, обнаруживаемого испытуемым с вероятностью 0,5; верхний порог – интенсивность, при которой возникают различные болевые ощущения (щекотание, покалывание, головокружение и т. д.). Между ними расположена область восприятия речи (рис. 3.13).

Человек оценивает звуки, различные по интенсивности, как равные по громкости, если частоты их также различны. Например, шум с интенсивностью 120 дБ и частотой 10 Гц оценивается как равные по громкости тону, имеющему интенсивность 100 дБ и частоту 1000 Гц. Таким образом, снижение интенсивности как бы компенсируется увеличением частоты. Субъективное ощущение интенсивности звука называется громкостью и измеряется в фонах. Уровень громкости в фонах численно равен интенсивности звука в децибелах для чистого тона частотой 1000 Гц, воспринимаемого как равно-громкий с данным звуком. Соотношения между частотой, интенсивностью и громкостью звука также показаны на рис. 3.14.

Величина едва различимой прибавки к исходному звуковому раздражителю зависит не только от его интенсивности, но и от частоты (рис. 3.14). В пределах среднего участка диапазона изменения звука по частоте и интенсивности величина энергетического дифференциального порога примерно постоянна и составляет 0,1 от исходной интенсивности раздражителя.

Рис.

Дифференциальный порог по частоте зависит как от частоты исходного звука, так и от его интенсивности. В пределах от 60 до 2000 Гц при интенсивности звука выше 30 дБ абсолютная величина едва различимой прибавки равна примерно 2–3 Гц. Для звуков выше 2000 Гц величина резко возрастает и изменяется пропорционально росту частоты. Относительная величина дифференциального порога для звуков в зоне 200–16 000 является почти константной и равна примерно 0,002. При сокращении интенсивности звука ниже 30 величина дифференциального порога резко возрастает.

Временной порог чувствительности акустического анализатора, т. е. длительность звукового раздражителя, необходимая для возникновения ощущения, так же как пороги по громкости и высоте, не является постоянной величиной. С увеличением как интенсивности, так и частоты он сокращается. При достаточно высокой интенсивности (30 дБ и более) и частоте (1000 Гц и более) слуховое ощущение возникает уже при длительности звукового раздражителя, равной всего 1 мсек. Однако при уменьшении интенсивности звука той же частоты до 10 дБ временной порог достигает 50 мсек. Аналогичный эффект дает и уменьшение частоты.

Оценка громкости и высоты очень коротких звуков затруднена. При длительности синусоидального тона 2–3 мсек человек лишь отмечает его наличие, но не может определить его качеств. Любой звук оценивается только как «щелчок». С увеличением длительности звука слуховое ощущение постепенно проясняется: человек начинает различать высоту и громкость. Минимальное время, необходимое для отчетливого ощущения высоты тона, равно примерно 50 мсек.

Дифференцировка двух звуков по частоте и интенсивности также зависит от отношения их по длительности и от интервала между ними. Как правило, звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем неравные.

Акустический анализатор обеспечивает отражение и положения Источника звука в пространстве: его расстояние и направление относительно субъекта.

Короткие дистанции порядка 1–2 м оцениваются довольно грубо, с точностью до десятков сантиметров. С увеличением дистанции до 3 м точность оценки возрастает примерно вдвое, однако на дистанции 4 м она вновь снижается, правда, все еще оставаясь более высокой, чем на дистанции 2 м. Расстояние до движущегося объекта определяется на слух точнее, чем до неподвижного.

Важную роль в оценке изменений расстояния до источника звука играет различение изменений громкости. Звук, громкость которого увеличивается, воспринимается как приближающийся, и – наоборот. Другим основанием оценки расстояний на слух является звуковысотное различение.

При приближении звучащего тела к слушателю частота звуковых колебаний увеличивается, а при его удалении уменьшается (эффект Доплера). Это отражается в слуховых ощущениях в форме изменения высоты звука. Значительное влияние на оценку расстояния оказывает тембр. Более тембрированный звук (более сложная фирма звуковой волны) обычно оценивается как более удаленный, менее тембрированный – как более близкий.

Точность распознавания направления звука различна по отношению к волнам разной частоты. Для низких частот (до 800 Гц) порог различения направления в горизонтальной плоскости равен примерно 10–11°; с увеличением частоты он возрастает, достигая ≈ 22° в районе 3000 Гц, а затем вновь уменьшается. Для частоты 10 000 Гц порог различения направления не превышает 13°.

Точность определения направления зависит также от положения источника звука относительно координат человеческого тела. Наиболее точно дифференцируются направления в горизонтальной плоскости. При этом на первом месте по точности оказывается правое направление, затем левое. Достаточно хорошо дифференцируется поперечное направление. Но с ним часто смешиваются верхнее и заднее. Точность оценки верхнего и заднего направлений в два с лишним раза меньше по сравнению с левым и правым.

Решающую роль в восприятии направлений звука играет взаимодействии сторон акустического анализатора (бинауральный эффект).

Если источник звука находится прямо перед человеком, то звуковые волны достигают обоих ушей одновременно. Если же он отклоняется вправо или влево, то время прихода звука к одному уху будет короче, чем к другому. Этой разностью и определяется оценка направления источника звука. Воспринимаемый угол отклонения от средней линии пропорционален величине этой разности. Значительное место в бинауральном слухе принадлежит также отношению амплитуд звуковых колебаний, поступающих на правое и левое ухо.

Пороги зависят от времени предъявления сигнала, положения головы испытуемого, адаптации и изменяются с течением времени для одного и того же испытуемого. Эти изменения могут составлять до 5 дБ за 0,5 мин, тогда как в некоторых условиях ярко выраженной тенденции к увеличению или уменьшению порога может и не быть даже в течение часа. Сравнение каждодневных изменений порогов, полученных в течение некоторого периода времени, с усредненными данными этих изменений показывает, что колебание изменений в 3–4 раза превышает усредненное. Иногда порог может изменяться даже в течение нескольких секунд. Если стимул состоит из пяти сигналов одного тона длительностью по 0,4 сек, следующих друг за другом с интервалом в 0,6 сек, то все они будут восприняты только при интенсивности, на 6 дБ превышающей абсолютный порог, когда не слышно ни одного из этих сигналов. Значительное влияние на величину порогов оказывает длительность сигнала. Так, для синусоидальных сигналов средних и высоких частот в диапазоне длительностей от 10 до 100–200 мсек удвоение длительности приводит к понижению порога на 3 дБ.

На дифференциальный порог существенное влияние оказывают адаптация и бинауральность или монауральность прослушивания. С величиной дифференциального порога тесно связано также явление «маскировки» чистых тонов на фоне белого шума. В качестве меры маскировки принимается отношение двух интенсивностей, представляемое как сдвиг порога в децибелах. Первая из них – маскирующая интенсивность, вторая – маскируемая. Порог маскировки – еле слышимый маскируемый сигнал.

Восприятие речевых сообщений

Одним из наиболее эффективных исторически сложившихся средств передачи информации человеку является речь. Вопрос о характеристиках речевых сигналов прежде всего возникает при разработке аппаратуры, предназначенной для передачи информации от человека к человеку. Однако этим его значение не ограничивается. Также открываются возможности использования речевых сигналов также при обмене информацией между человеком и машиной.

Проблема речи имеет кардинальное значение в психологии. Она выступает в той или иной форме при изучении сенсорных процессов, памяти, умственных действий, двигательных навыков, свойств личности и т. д. Данные, накопленные в экспериментальной психологии, позволили раскрыть ряд существенных аспектов механизмов восприятия речи и речеобразования. Они послужили основой для постановки проблемы речевой коммуникации в плане инженерной психологии.

Задачи техники связи потребовали изучения зависимости восприятия речевых сигналов от их акустических характеристик, определения разборчивости речи в условиях шума, поиска путей повышения разборчивости и т. п.

Форма волны является функцией, которая связывает мгновенное речевое давление со временем. Речевое давление есть сила, с которой речевая волна давит на единицу площади, обычно перпендикулярной к губам говорящего и расположенной в произвольном, но определенном участке по отношению к говорящему, на расстоянии 1 м от него.

Речевой звук является сложным. Он включает ряд обертонов, находящихся в гармоническом отношении к основному тону (гармоник). Для повышения разборчивости речи увеличивают ее интенсивность.

Важным условием восприятия речи является различение длительности произнесения отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произнесения гласного равно примерно 5,35 сек. Длительность согласных колеблется от 0,02 до 0,30 сек. При восприятии потока речи особенно важно различение интервалов между словами или группами слов. Исключение пауз или их неверная расстановка может привести к искажению смысла воспринимаемой речи. Восприятие и понимание речевых сообщений (аудирование) в значительной мере зависит от темпа их передачи. Оптимальным считается темп 120 слов/мин. Сообщения достаточно хорошо воспринимаются при темпе речи 160 слов/мин.

Чтобы речевые звуки были понятными, их интенсивность должна превышать интенсивность шумов примерно на 6 дБ. Но обнаружить звуки можно даже и в том случае, если интенсивность речи меньше интенсивности шума (примерно также на 6 дБ).

Если одновременно увеличивать уровни речи и шума, оставляя константным их отношение, то разборчивость речи будет повышаться, но лишь до некоторого предела, за которым наблюдается ее падение. При увеличении уровня речи до 120 дБ и шума до 115 дБ (отношение речи к шуму остается +5 дБ) разборчивость речи ухудшается примерно на 20%.

Речь обладает не только акустическими, но и некоторыми другими специфическими характеристиками. Слово имеет определенным фонетический, фонематический, слоговой, морфологический состав, является определенной частью речи, несет определенную смысловую нагрузку. Важным фактором, влияющим на опознание слов, является их частотная характеристика. Чем чаще встречается слово, тем при более низком отношении речи к шуму оно опознается.

При восприятии отдельных слогов и слов существенную роль играют их фонетические характеристики; при восприятии словосочетаний в действие вступают синтаксические зависимости, а фонетические отступают на второй план.

При изучении аудирования слов, словосочетаний и предложений, передаваемых на фоне белого шума (при отношении речи к шуму 110 дБ), было установлено, что точность опознания зависит от длины слов. Если односложные слова правильно аудируются лишь в 12,5% случаев, то шестисложные – в 40,6%. Более длинное слово обладает большим числом опознавательных признаков, что обеспечивает и более точное его аудирование. Наблюдается также тенденция к более точному аудированию слов, начинающихся с гласного звука, по сравнению со словами, начинающимися с согласного (разница около 10%).

Определенное значение имеет место ударного слога. Если ударение находится в конце слова, то все слово опознается значительно лучше (разница в правильном восприятии слов с ударением на первом и третьем слогах составляет 20%).

На восприятие слов решающее влияние оказывают фонетические закономерности. При восприятии словосочетаний довольно отчетливо начинает проявляться влияние синтаксических закономерностей. Слушатель улавливает синтаксическую связь между словами, которая помогает ему восстановить сообщение, разрушенное шумом. Если абстрагироваться от лексико-семантических характеристик словосочетаний и представить только модель связи, то оказывается, что слушатель легче всего улавливает согласование, затем управление и, наконец, примыкание. Интересно отметить, что стереотипные словосочетания, фразеологизмы опознаются значительно хуже, чем можно было бы ожидать исходя из вероятностной модели восприятия. Слишком большое сужение сочетательных возможностей слова ограничивает возможность поиска. Увеличение количества возможных ответов как бы расширяет «зону поиска» и тем самым повышает вероятность правильного опознания. Это лишний раз подтверждает положение о том, что аудирование есть активный процесс.

При переходе к фразам слушатель начинает ориентироваться уже не на отдельные элементы предложения, а на весь его сложный грамматический каркас.

При изучении влияния длины и глубины фразы, передаваемой на фоне белого шума (отношение сигнала к шуму в 10 дБ), на точность ее аудирования было обнаружено, что длина фраз не имеет для слушателя особого значения примерно до уровня в 11 слов. Превышение этого числа приводит к существенному ухудшению аудирования. С увеличением глубины, если даже длина фразы остается неизменной, точность аудирования снижается. Глубокие части фразы улавливаются слушателем намного хуже, чем мелкие, критической величиной является глубина фразы, равная 7 ± 2.

Изучалось также восприятие речевых сообщений, которые включали фразы, допускающие неоднозначную интерпретацию (вызывающие «семантический шум»). Было показано, что в этих условиях процесс восприятия замедляется, возникает необходимость повторного восприятия тех частей текста, которые предшествуют критической фразе. В ходе восприятия человек, преодолевая неоднозначность, осуществляет трансформацию фраз.

Приведенные данные показывают, что аудирование представляет собой многоуровневый процесс, в котором сочетаются фонетический синтаксический и семантический уровни. При этом вышележащие уровни играют ведущую роль, определяя ход всего процесса аудирования, что необходимо иметь в виду при организации речевых сообщений.

Изучение восприятия речи для инженерной психологии имеет принципиальное значение, так как язык, сформировавшийся в процессе длительной истории человечества, представляет собой весьма эффективную систему кодирования информации, адресованной человеку.

Характеристики тактильного анализатора

Существующие способы передачи информации человеку рассчитаны в основном на зрительный и слуховой анализаторы, которые в силу этого нередко оказываются перегруженными. Возникает вопрос о возможности использования других сенсорных каналов. В этой связи представляют интерес данные, полученные при изучении осязательного восприятия. Экспериментально показано, что осязательный образ формируется на основе синтеза массы тактильных и кинетических сигналов. Наиболее четко воспринимается раздражение прикосновения (тактильные раздражения) дистальных частей тела (особенно кончиков пальцев). Тактильные рецепторы осуществляют фильтрацию раздражений и ограничение афферентного потока. Абсолютный порог чувствительности на дистальных частях тела обладает широким диапазоном (от 3 до 300 г/мм²). Порог различения равен примерно 0,07 исходной величины давления. Временной порог тактильной чувствительности равен 130 мсек. Пространственный порог колеблется от 1,1 до 67 мм. Наиболее низок он на дистальных частях тела (порог ладонной части и концевой фаланги пальца руки равен 2,2 мм, плечевого участка кожи – 67,7 мм).

Поскольку осязательное восприятие есть развернутый процесс, скорость приема информации здесь невелика. По этому показателю осязание значительно уступает зрению. Однако в ходе тренировки наблюдается редукция ощупывающих движений и повышение роли тактильных компонентов осязания. При определенных условиях возможно точное опознание несложного объекта при простом прикосновении.

Тактильный анализатор используется для передачи информации человеку редко. Однако в некоторых случаях его использование Может способствовать повышению эффективности деятельности человека. Так, применение «тактильного кода» при работе с клавишными устройствами (простые геометрические фигуры укреплены на клавишах) скорость и точность действий оператора могут быть значительно повышены. Тактильные стимуляторы иногда используются так же, как вспомогательное средство для управления самолетом (для передачи летчику сигналов о тангаже и угле крена).

При нарушении зрения роль тактильного анализатора резко возрастает. У слепого и слепоглухого человека он становится основным каналом, по которому информация о внешней среде пере дается в мозг. Экспериментально-психологические исследования показывают, что при определенной тренировке человек может научиться различать с высокой точностью тактильные и особенно вибрационные сигналы. Примером эффективного использования тактильно-вибрационной чувствительности для передачи информации слепому человеку является «Оптакон» («Optacon»). Это устройство позволяет преобразовывать оптические сигналы в тактильно-вибрационные и используется слепым человеком для чтения обычных книг.

Дата добавления: 2014-12-29