3.3 Слуховой анализатор

Мир звуков— мир "настроений" человека и технических систем. Звук способен выразить состояния, а слух–декодировать и воспринять их. Физиологические процессы биологического слуха рассматриваются как "слуховые" и характеризуются строением слухового аппарата человека. Звуковые (физические процессы) в технических системах называются "акустическими".

Физические свойства звукового стимула (акустика). Звук–это колебания частиц среды, распространяющиеся в виде продольной волны давления со скоростью (в воздухе) примерно 335 м/с. В операторской деятельности звук возникает в основном от работающих систем управления, речевых команд и сообщений. Звуковое давление в различных участках среды отличается из–за различной плотности воздуха. Амплитуда этих изменений давления, возникающая в результате звуковых колебаний, называется звуковым давлением, измеряемом в Па (Паскалях) или Н/м². В акустике применяют сравнительную величину–уровень звукового давления Р, который изменяется в децибелах (дБ) и определяется по формуле:

,

где: р_х –звуковое давление;

р_о –эталон, равный 210^–5 Н/м² (исходное значение звукового давления в воздухе, близокое к пределу слышимости человека).

Вычисления показывают, что при увеличении звукового давления в два раза уровень звукового давления возрастает на 6дБ, а при повышении звукового давления в 10 раз–на 20 дБ.

Для лучшего представления о децибелах отметим, что шелест листвы на ветру составляет 25дБ, ход часов на расстоянии 1 м от наблюдателя—30дБ, звук человеческого голоса на расстоянии 0,6–1м до 65дБ, шум улицы в небольшом городе, например, Новочеркасске—75 дБ.

Кроме этого, к физическим свойствам относятся сила и частота звука.

Сила звука–это количество звука, проходящего через единицу поверхности в единицу времени.

Частота звука выражается в герцах (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду. Звук, образованный одной частотой колебаний, называется тоном. Для полного восприятия тона требуется 200–300мс, по истечении которых для ликвидации ощущения звука требуется ещё 140мс. Звуки, получаемые несколькими частотами, рождают музыку или шум. Когда мы воспринимаем сочетания органично связанных между собой частот мы слышим музыку, несвязанных частот–шум.

Д ля слухового восприятия звук должен превысить определённый уровень акустического давления, определяемого частототой. Наиболее чувствительно человеческое ухо к частотам в пределах 2–5кГц, которые мы слышим как едва уловимый звук. Ощущение человеком уровня звукового давления называется громкостью. Уровень громкости выражается в фонах. Громкость в 1 фон соответствует тону частотой 1 кГц при уровне звукового давления 40дБ. Громкость более 5 фон вызывает изменения в вегетативной нервной системе. Эксперименты по измерению порога различения интенсивности звука показали, что два тона одинаковой частоты различимы по громкости при отличии уровней их звукового давления всего на 1 дБ. Порог различения частот в области около 1кГц составляет около 3 Гц. Связь между громкостью и звуковым давлением позволяет оценить уровень шумов, опасных для здоровья. Поэтому необходимо учитывать повышение чувствительности к громкости звука. Кривые слышимости, все тоны на которых оцениваются с одинаковой мощностью, независимо от их частоты называются изофонами и представлены на рис. 3.8. Слышимость тона зависит от его частоты так же, как от звукового давления. Пределы слышимости молодых и здоровых людей человек находятся в частотных пределах от 20 Гц до 16 кГц и от 4 до 16 фон. Средний слуховой порог здорового человека равен 4 фонам. На рис.3.8. зона слышимости расположена между верхней и нижней кривыми.

Частоты, превышающие 16кГц относятся к ультразвуковым, а ниже 20Гц–к инфразвуковым. Направленное воздействие ультразвуковыми частотами менее опасно, чем инфразвуковых. Так, влияние ультразвука способно спровоцировать нарушение термического и химического баланса человеческого организма, в т.ч. увеличить тканевый теплообмен, изменить состав и вязкость крови и т.д. Инфразвуковые волны вызывают ощущение усталости, морской болезни, а при частоте 7 Гц–летальный исход. Источником образования инфразвуковых волн является океан в штормовой период и подводные землетрясения. Для несильного по мощности шторма характерен инфразвук порядка 6 Гц, который практически без изменения мощности преодолевает тысячи километров в воздушной и в водной среде. Инфразвуковое излучение с частотой 7 Гц, настигающие судно в совершенно спокойном районе, приводит к гибели экипажа вследствии остановки сердца и корпуса судна в результате действия механического резонанса. Этим фактором объясняется наличие судов с исчезнувшими или безжизненными экипажами на борту типа "летучего голландца". Вариации в диапазоне инфразвуковых частот могут также спровоцировать и усилить заболевания, приступы безумия и т.д. Инфразвуковое излучение следует учитывать при проектировании систем управления всех видов морских транспортных средств, прибрежных нефтяных установок и перерабатывающих предприятий, расположенных в водной среде.

В процессе деятельности лицам, постоянно подвергающимся действию звука высокой интенсивности (компрессорные и насосные станции, машинные отделения, системы вентиляции и т.д.), требуется использовать специальные предохранительные приспособления для ушей– шлемы, наушники или "беруши", заглушки.

Влияние шума может носить кратко– и долговременный характер. Кратковременный характер сопровождается резким воздействием звуков высокого напряжения, вызывающих реакцию испуга, настораживающие и оборонительные рефлексы. Реакция испуга никогда не исчезает полностью, даже после периода адаптации к раздражающему уровню шума. При этом, чем ограниченней информация об объекте наблюдения, тем выше влияние шума на оператора. На таком принципе воздействия основаны средства сигнализации, основные виды и характеристики которых представлены в табл. 3.14. Сюда же относятся звуки паровозного свистка, выстрелов и т.д.

Воздействие внезапного шумового всплеска до 90 дБ, локализованного на отрезке времени не более 30 с, снижает скорость простой моторной реакции, осложняет процесс письменной регистрации информации, так как шум препятствует извлечению материала из долговременной памяти, связанной со значением слов. При шуме не более 80 дБ оператор способен извлекать из памяти только простые по смыслу понятия. Это определяется фактором снижения внимательности, что однако не влияет на качество принимаемых решений.

Госкомсанэпиднадзором России утверждены санитарные нормы, устанавливающие классификацию шумов на рабочих местах. Согласно этим нормам уровни шума разделены на следующие виды:

• допустимый уровень шума–это уровень, который не вызывает у человека чувства беспокойства и существенных изменений показателей функциональности состояния систем и анализаторов, чувствительных шуму;

• предельно допустимый уровень (ПДУ) шума–это уровень фактора, который при ежедневной работе и не более 40 часов в неделю, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья в процессе работы или в определённые сроки жизни.

Таблица 3.14

Использование звуковых сигналов

Вид сигнала	Вид сигнализатора	Частота, Гц	Условия применения
Аварийный	Генератор	800–5000	Направленное воздействие
	Гудок
	Сирена
	Ревун
	Свисток
	Звонок
Предупреждающий	Генератор	200–800
	Гудок
	Ревун
	Свисток
	Звонок
Уведомляющий	Генератор	200–400	Применяется во внутренних устройствах связи
	Зуммер
	Гудок
	Свисток
	Звонок

Предельно допустимые уровни шума для основных наиболее типичных видов трудовой деятельности и рабочих мест, разработанные с учётом категорий тяжести и напряжённости труда представлены в табл.3.15.

Долговременное воздействие способствует возникновению болевых ощущений при резких повышениях уровня звукового давления. Кратковременное воздействие звуков громкостью до 16 фонов приводит к обратимой утрате слуха, а длительное–к тугоухости (потере слуха). Интенсивный шум выше 90дБ способен привести к снижению работоспособности, повышению сердцебиения, кровяного давления, выбросу адреналина в кровь, а в дальнейшем к возникновению гипертонии, сердечно–сосудистых заболеваний и расстройствам нервной системы. По научным данным, такое воздействие может сократить продолжительность жизни человека на 12 лет.

Характерным видом слухового восприятия является речевое взаимодействие операторов в системе "Ч – М" и между собой, так как речь–наиболее результативное средство передачи информации человеку. Характеристики восприятия речевых сообщений позволяют установить принципы их организации и проектирования коммуникационных систем.

Речь представляет последовательную комбинацию смысло – различительных звуков, произносимых с различной частотой и интенсивностью. Эти звуки (элементы речи) называются фонемами и описываются системой фонетических символов. Механизм, определяющий фонемную структуру и расположенный в полости рта и носоглоточной области, называется артикуляцией. Механизм контроля высоты звука, локализованный в гортани и основанный на колебаниях голосовых связок, называется фонацией. Для операторской деятельности характерно общение как с помощью визуального контакта, так и без него с использованием различных коммуникационных систем–телефон, микрофон, модем. При этом получатель сообщения может принимать информацию от нескольких источников одновременно, быть в защитном шлеме (пилоты), находиться на большой высоте, под водой (водолазы, подводные плавцы). Поэтому звуковые, пространственные, смысловые, скоростные и количественные (размер фраз, предложений) особенности речи приобретают большое значение. Частоты и интенсивности, характерные для речи, находятся в центре зоны слышимости (рис. 3.8.). Системы связи, для обеспечения адекватного понимания речевых сообщений (телефон, микрофон, модем), должны работать и передавать частоты в диапазоне от 300 Гц до 3,5 кГц при колебаниях громкости человеческого голоса в диапазоне 35—90 дБ (рис 3.9.). При непосредственном общении операторов с помощью средств связи или при максимальном расстоянии между ними 6м необходимый диапазон звуков составляет 50—90 дБ, а для тренированных операторов– 20–30 дБ.

На разборчивость речи, независимо от частоты голоса (высокий– низкий), также влияет её интенсивность. Для женщин характерна более высокая интенсивность речи по сравнению с мужчинами, они произносят 100—120 слов/мин. Это объясняется тем, что частота основного тона у мужчин составляет 80—100 Гц, а у женщин—160—320 Гц.

Таблица 3.15

Допустимые уровни шума

Вид трудовой деятельности, рабочее место (РМ)	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах с частотой, Гц
	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Творческая и научная деятельность, руководящая работа, программирование, преподавание, конструирование, врачебная деятельность	86	71	61	54	49	45	42	40	38
Высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности; РМ в помещениях цехового управленческого аппарата, в конторских помещениях; измерительные и аналитические работы в лаборатории; административно – управленческая деятельность	93	79	70	68	58	55	52	52	49
Работа, выполняемая с чётко контролируемыми акустическими сигналами; операторская работа по точному графику; РМ в помещениях наблюдения и дистанционного управления с речевой связью по телефону; на участках точной сборки; в залах обработки информации на ЭВМ	96	83	74	68	63	60	57	55	54
Работа, требующая сосредоточенности, с повышенными потребностями к процессам наблюдения и дистанционного управления производственными циклами. РМ за пультом в кабинах управления без речевой связи по телефону; в помещениях с шумным оборудованием	103	91	83	77	73	70	68	66	64
РМ водителей и обслуживающего персонала грузовых автомобилей	100	87	79	72	68	65	63	61	59
РМ водителей и обслуживающего персонала легковых автомобилей и автобусов	93	79	70	63	58	55	52	50	49
РМ водителей и обслуживающего персонала тракторов, самоходных шасси, строительно–дорожных и аналогичных машин	107	95	87	82	78	75	73	71	69
РМ в кабинах и салонах самолётов и вертолётов: допустимые оптимальные	107 96	95 83	87 74	82 68	78 63	75 60	73 57	71 55	69 54

Примечание. Запрещается даже кратковременное пребывание в зонах с уровнем шума свыше 135 дБ в любой октавной полосе

С учётом средней длины русских слов 8—9 букв женщины произносят от 13 до 20букв/с или 780–1200букв/мин, что в среднем соответствует 97–150слов/мин. Оптимальным темпом для операторской деятельности является 120 односложных слов в минуту, при этом количество слов в предложении должно быть не более 7–9. Однако в условиях шумовых помех на линиях связи эти показатели могут изменяться. В общем случае понятность (процент осознанных слов) речи обеспечивается при минимальной разнице интенсивности речи и шума–6дБ и оптимальной–10–15 дБ. Несоблюдение этого принципа в условиях шума, приводит к искажению получаемой информации.

При использовании микрофона, операторы имеют склонность непроизвольно повышать голос, поэтому диапазон громкости аппаратуры устанавливается в пределах 54—72 дБ. При наличии окружающего шума говорящий, несмотря на микрофон, переходит на крик громкостью до 110дБ, что приводит к 70% уровню искажения информации (рис. 3.9.), при этом одновременно уменьшается понятность речи, несмотря на возрастающие голосовые усилия. Кроме того, крик неблагоприятно влияет на голосовые связки, поэтому все аппаратные средства маскируют сигналы определённой частоты.

На практике наиболее распространенны различные шумогасящие (дифференциальные) и контактные микрофоны, обеспечивающие необходимый уровень понятности речи и качество звучания с учётом окружающих условий (характеристик шума, расстояний до слушателей). Первые располагаются на некотором расстоянии от говорящего оператора, т.е. против губ и могут располагаться либо на рабочей поверхности, либо на теле оператора. Контактные микрофоны размещают на участках тела оператора – горле, челюсти, в ушной раковине и т.д. Они снабжены электронным декодирующим устройством, преобразующим звуки в электрические импульсы. Такими средствами связи могут пользовать также люди с пониженным уровнем слышимости.

При передаче речи по электронной цепи, воспроизводимой VDT, влияние окружающего шума можно компенсировать регулированием громкости системы. В настоящее время разрабатываются технологии, при использовании которых для связи не требуется использование клавишной панели телефона (стационарного, мобильного) для набора номера или пароля входа в систему, а достаточно произнести голосовую команду. Компаниями AT&T, IBM, Lucent Technologies и Motorola разработаны технологии распознания речи VoiceXML, которые позволяют обращаться к веб–браузингу за информацией. Множество ведущих компаний Европы, США и Японии используют эту технологию, а American Airlines, United Parcel Service и E*Trade создали голосовые веб–порталы, которые синтезированным голосом предоставляют информацию справочного характера: о расписании рейсов, времени прибытия, биржевых котировках и т.д. Такие средства и технологии позволяют упростить или ликвидировать справочные, технические, диспетчерские операторские подразделения. На данный момент уровень развития речевых стандартов позволяет войти в систему и получить информацию о состоянии того или иного проекта, отдать распоряжение, не занимая рук на запись информации в транспортном средстве, выяснить оптимальный маршрут движения и погодные условия вдоль него, которые отобразятся на экране телефона. Кроме того, стандарт VoiceXML обеспечивает возможность передачи через веб–браузинг видео– и цифровые типы данных, т.е. можно отдать команду по телефону из Китая о передачи, например схемы процесса, проекта со своего личного Web–сайта в России на электронный адрес в Германии. Однако очевидно, что в ближайшее время станет возможным не только связь, но и управление техническими системами на расстоянии с помощью телефона.