Інженерна психологія - Трофімов Ю.Л. - 3.1.2. Характеристики слухового аналізатора

Одним із основних каналів передавання інформації операторові є звукові сигнали, завдяки яким він

отримує до 10 % її обсягу. При відображенні цих сигналів у людини виникають відчуття, спричинені дією звукової енергії на слуховий аналізатор.

Слуховий аналізатор складається з вуха, слухового нерва, складної системи нервових зв'язків і мозкових центрів людини.

Вухо сприймає окремі частоти звуків завдяки функціональній здатності волокон його мембрани до резонансу. Джерелом звукових хвиль може бути будь-який процес, котрий спричинює зміни тиску або механічну напругу в середовищі. Основні характеристики звукових коливань - амплітуда (інтенсивність), частота і форма звукових хвиль - відображаються у таких слухових відчуттях, як гучність, висота і тембр.

Інтенсивність звуку оцінюється звуковим тиском і виражається у динах (ергах) на квадратний сантиметр. Діапазон тиску, який відчуває вухо людини, значний - від 2 o 10"4 до 2 o 10- дин/см2; а сама інтенсивність звуку виражається в логарифмічних одиницях щодо початкового рівня:

Частота звукових коливань виражається в герцах (1 герц - це частота звукових коливань, період яких дорівнює 1с). Діапазон частот, який сприймає вухо людини, становить від 16 до 20 000 Гц. Особливе значення він має у межах 200...3500 Гц, що відповідає спектрові людської мови.

Усі звуки поділяють на прості і складні. Коливання з однією частотою - це прості звуки, або чисті тони. Всі інші розглядаються як складні. Нерегулярні звукові коливання називають шумом. Окремо виділяють так званий білий шум - звук, що вміщує всі чутливі частоти.

Суб'єктивно інтенсивність відчувається як гучність і виражається у фонах. Фон кількісно дорівнює звуковому тиску для чистого тону частотою 1000 Гц.

Абсолютні пороги слухового аналізатора залежать від частоти звукового сигналу. Значення нижнього і верхнього абсолютного порогів, а також "зона" мови показані на рис. 13.

Верхній абсолютний поріг становить 120. .130 дБ, а "зона" мови - 60... 100 дБ. Крім того, людина оцінює різні за інтенсивністю звуки як рівні за гучністю, навіть якщо їхні частоти відрізняються. Наприклад, тон з інтенсивністю 120 дБ і частотою 10 Гц оцінюється як рівний за гучністю тону з інтенсивністю 100 дБ і частотою 1000 Гц (рис. 13).

Диференціальний поріг за інтенсивністю залежить від вихідної інтенсивності сигналу та його частоти. В зоні мови величина енергетичного диференціального порога більш-менш постійна і дорівнює 0,1 вихідної інтенсивності сигналу.

Диференціальний поріг за частотою залежить і від вихідної частоти сигналу та від його інтенсивності. В межах від 60 до 2000 Гц за інтенсивності звуку більше ЗО дБ диференціальний поріг дорівнює 2-3 Гц. Для звуків понад 2000 Гц ця величина різко зростає і змінюється пропорційно до зростання частоти, також як і при зменшенні інтенсивності звуку нижче за 30 дБ (рис. 14).

Рис. 14

Диференціальні енергетичні пороги слухового аналізатора

Значний вплив на пороги має тривалість сигналу. Часовий поріг чутливості акустичного аналізатора теж залежить від інтенсивності й частоти сигналу. При інтенсивності, більшій за 30 дБ, і частоті, більшій за 1000 Гц, слухове відчуття виникає вже за тривалості сигналу в 1 мс. Але при зменшенні інтенсивності звуку до 10 дБ (при тій же частоті) часовий поріг становитиме 50 мс.

Для оцінки якості сигналу його мінімальна тривалість має бути 20...50 мс, при меншій - звук сприймається як клацання, тобто не розрізняється ані висота тону, ані його гучність. Крім того, на диференціювання двох звуків за частотою та інтенсивністю впливає не тільки їхня тривалість, а й тривалість інтервалів між ними.

Акустичний аналізатор забезпечує також відображення розміщення сигналу в просторі щодо його отримувача.

Коротка відстань, близько 1-2 метрів, оцінюється з точністю до 0,1 м. Зі збільшенням відстані до 3 м точність підвищується і становить уже 0,05 м. Із зростанням відстані понад 4 м точність зменшується, але все ж таки вона більша, ніж за двометрової відстані.

Важливу роль в оцінці відстані до джерела сигналу відіграють його гучність і частота. Сигнал, гучність якого збільшується, сприймається як такий, що наближується, і навпаки. Відомо, що з наближенням джерела сигналу до його отримувача частота звукових коливань збільшується, а з віддаленням - зменшується (ефект Допплера). Це відображується у слухових відчуттях, а саме у формі зміни висоти звуку або його тембру. Більш тембрований (складна форма висоти) звук оцінюється як більш віддалений.

Визначення напрямку звуку залежить від його частоти. Для низьких частот (до 800 Гц) поріг розрізнення напрямку в горизонтальній площині становить 10*... 1Г , зі збільшенням частоти до 3000 Гц - уже 20е...22*, а при частоті понад 3000 Гц він знову зменшується. Для частоти 10 000 Гц поріг розрізнення напрямку - ІЗ*. Крім того, точність визначення напрямку дії звуку залежить і від розміщення самого джерела сигналу відносно тіла людини. Краще диференціюється звук у горизонтальній площині, ніж у вертикальній; при цьому кращим є правий напрямок, ніж лівий. Добре диференціюється місцезнаходження джерела звуку попереду напрямку, але його часто плутають з верхнім розміщенням, оскільки значну роль відіграє тут ефект взаємодії рецепторів акустичного аналізатора. Бінауральний ефект допомагає визначити положення джерела звуку за рахунок різниці часу надходження звукових коливань до правого і лівого вух людини. Ось чому людина найкраще ідентифікує положення джерела сигналу, стоячи до нього перпендикулярно, тобто коли джерело сигналу знаходиться справа або зліва на 90° від осі ЇЇ зору.

На диференціальний поріг суттєво впливають адаптація і бінауральність або монауральність прослуховування, а також явище "маскування" чистих тонів на фоні білого шуму. Ця залежність показана на рис. 15.

Рис. 15

Пороги виявлення звуку за різних рівнів шуму: РШ - рівень шуму, ПТ - повна тиша