книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

нять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной во­ дой или прокипяченной питьевой водой.

Уровни положительных и отрицательных аэроионов в воздухе поме­ щений должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 12.15.

Таблица 12.15. Уровни ионизации воздуха помещений

Содержание вредных химических веществ в атмосфере помещений не должно превышать среднесуточных концентраций для атмосферного воздуха.

Требования к уровню шума и вибраций в помещениях с ЭА

При работе с ЭА уровень звука на рабочем месте не должен превы­ шать 50 дБА, а уровень вибрации — допустимых значений, приведенных в «Санитарных нормах вибрации рабочих мест» (табл. 12.16).

Таблица 12.16. Допустимые нормы вибрации на рабочих местах с ЭА

Оборудование (принтеры и т. п.), уровни шума которого превышают нормированные, должно располагаться в отдельных помещениях.

Для снижения уровня шума используют звукопоглощающие материа­ лы. Дополнительным звукопоглощением служат однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен и подвешенные в складку на расстоянии 15...20 см от ограждения. Ширина занавеси должна быть примерно в два раза больше ширины окна.

492

12.2. Организация рабочего места при эксплуатации ЭА

Особенности проектирования человеко-машинных систем с позиций обеспечения требований к уровню шума и вибрациям

При проектировании средств защиты человеко-машинных систем от шума и вибраций необходимо разработать такую систему гашения (СГ), ко­ торая бы обеспечила требуемую степень уменьшения шума и/или вибраций. При этом необходимо учитывать, что чем сложнее система, тем выше ее стоимость, больше массогабаритные характеристики и ниже надежность. Все это делает задачу проектирования средств защиты от шума человекомашинных управляющих систем сложной, многовариантной задачей.

На этапе разработки ТЗ для рабочих мест личного состава и элементов технических систем важно правильно оценить уровни влияния дестабилизи­ рующих факторов, в том числе и акустических шумов и вибраций. При этом необходимо проанализировать процесс шумовиброобразования и опреде­ лить вклад в общую картину нагрузки от каждого из источников. После сравнения найденного уровня с нормативными показателями при необходи­ мости принимается решение о выборе варианта построения средств защиты. Наиболее сложным на практике оказывается правильный выбор варианта реализации системы гашения, который осуществляется на основе анализа различных критериев, например, для систем защиты от акустических шумов анализируют характер акустического воздействия (стохастический или де­ терминированный), вид спектра (узкоили широкополосный), распределе­ ние областей концентрации основной энергии в спектре (низкочастотное, высокочастотное или сплошное). Комбинация различных наборов данных факторов обусловливает эффективность выбора того или иного варианта построения системы гашения. Поскольку таких вариантов много, то воз­ можность выбора уже на начальном этапе эффективного способа реализа­ ции системы гашения для конкретного случая позволит сократить сроки и стоимость разработки.

После разработки комплекса шумозащитных средств объекта оцени­ ваются общие надежностные характеристики человеко-машинной управ­ ляющей системы в целом, проверяются ее характеристики, связанные с шумогашением (например, тепловой баланс и т. п.). В случае удовлетворения всех требований ТЗ можно переходить к разработке опытного и серийных образцов, в противном случае необходимо принять меры конструктивного характера по корректировке конструкции объекта.

Методы борьбы с акустическим шумом настольных ЭА

Даже если сам по себе один компьютер излучает невысокий уровень шума, то может оказаться, что при размещении нескольких ПЭВМ, а тем

493

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

более серверов шум от них станет значительно влиять на общий уровень комфорта в помещении. Даже один домашний компьютер, оснащенный, на­ пример, SCSI накопителем (имеющим большие обороты вращения, чем IDE, и, следовательно, более высокий уровень шума) может вызвать высокий уровень шума в помещении.

Методы борьбы с шумом подразделяют на пассивные и активные. И те, и другие предусматривают использование специальных дополнительных средств для снижения шума. Разнообразные поглотители, демпферы, звукоизоляторы, называемые пассивными средствами защиты, обладают эффек­ тивным поглощением только при линейных размерах шумогасящих конст­ рукций, сравнимых с длиной волны излучения. Их эффективность растет с ростом частоты акустических волновых воздействий, при этом на низких час­ тотах (до 500 Гц) их эффективность крайне мала. Альтернативой пассивным методам защиты являются системы активного гашения (САГ), в которых га­ шение шумового поля достигается наложением на исходное поле другого по­ ля, инверсного по отношению к гасимому, причем наиболее эффективны ак­ тивные средства при снижении акустических воздействий в частотном диапа­ зоне до 500 Гц. Больш инство пассивных методов борьбы с шумом имеют опасный побочный эффект — снижают степень охлаждения различных уз­ лов компьютера, в активных средствах этот недостаток отсутствует [9, 36].

Практически весь шум в акустическом диапазоне производится меха­ ническими элементами вычислительной системы — накопителем на жестком диске (винчестером), вентилятором блока питания, вентилятором процессора, дисководом, клавиатурой и др.

Рассмотрим методы борьбы с шумом каждого из перечисленных ис­ точников. Практически все винчестеры являются источником шума. Кроме того, винчестер вибрирует при работе, что может вызвать резонансные ко­ лебания всего корпуса. Чтобы избежать этого, его нужно виброизолировать, для чего можно использовать конструктивы для установки в 5-дюймовый отсек и использовать прокладки из губчатой резины или другого материала

(рис. 12.11). Если конструктивно

494

12.2. Организация рабочего места при эксплуатации ЗА

Рис. 12.12. Mobile Rack для установки винчестера

Вентилятор блока питания так же, как и винчестер, является источником шума. Один из методов борьбы с этим шумом — снижение напряжения, пода­ ваемого на вентилятор (чтобы уменьшить его обороты). Если вентилятор кре­ пится к железному корпусу, то последний является источником дополнитель­ ных виорации. кроме того, поток воздуха от вентилятора, ударяясь о защитную решетку, вызывает дополнительный шум. Для снижения шума можно снять кожух с блока питания, отвинтить вентилятор и установить его на резиновых рас­ тяжках, не привинчивая кожух на место (рис. 12.13). Однако после этого уменьшится приток воздуха

495

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

через отверстия в корпусе. Если ПЭВМ имеет форм-фактор BABYАТ, т. е. воздух выдувается наружу, можно снизить шум, установив «глушитель» на наружную решетку блока питания.

Снижение шума вентилято­ ра процессора (рис. 12.14) также очень важно. По своему уровню его шум может даже превышать уровень шума от вентилятора бло­

Рис. 12.15. Пассивный игольчатый ка питания. Одним из решений этой проблемы является использо­

вание пассивного игольчатого ра­ диатора (рис. 12.15), у которого большая площадь и поэтому лучшая тепло­ отдача. Иг ольчатый радиатор крепят термопастой, наносимой тонким слоем между процессором и радиатором, которая заполняет полости и обеспечива­ ет почти полный контакт поверхностей [http://mpsystem.iu4.bmstu.ru].

М е т о д ы и с р е д с т в а а к т и в н о й и н д и в и д у а л ь н о й з а щ и т ы о т а к у с т и ч е с к и х в о з д е й с т в и й

В авиации, на транспорте, в производственных цехах для обеспечения нормальных условий работы человека-оператора необходимо использовать индивидуальные средства защиты. Особенно неблагоприятно воздействуют на человека волновые поля с концентрацией энергии в низкочастотной час­ ти спектра, для гашения которых наиболее эффективны системы активного гашения.

Первые системы активной защиты (САГ) появились в начале 30-х годов XX в. Они состояли из микрофона, блока управления, включавшего усилитель, линии задержки и фильтры, и излучателя. В настоящее время появились системы активной индивидуальной защиты, включающие голов­ ные телефоны с установленными в них элементами САГ, например, для об­ служивающего персонала палубной авиации, технологического оборудования

ит. п. В последние годы нашли распространение микропроцессорные сис­ темы индивидуальной акустозащиты на основе цифровых сигнальных про­ цессоров (DSP), что позволило разрабатывать и выпускать средства индиви­ дуальной акустозащиты, ориентированные не только на профессионалов, но

ина массового потребителя. Широкое распространение получили два типа

496

12.2. Организация рабочего места при жстуатации ЭЛ

САГ: неадаптивные и адаптив­ ные. Упрощенная структурная схема неадаптивной САГ при­ ведена на рис. 12.16. Информа­ ция о внешнем шумовом поле, воспринимаемая системой дат­ чиков (микрофонов), после оцифровки поступает в блок управления. Здесь методами цифровой обработки генериру­ ется сигнал, идентичный по спектру исходному, но находя­ щийся к нему в противофазе. Блок управления можно реализо­ вать различными способами — от программируемой логики до специальных вычислителей, но наиболее перспективным пред­ ставляется применение специ­ ально разработанных для обра­

ботки в режиме реального времени цифровых сигнальных процессоров (DSP). В адаптивных САГ (АСАГ) помимо вышеперечисленных систем датчиков

исходного поля используются дополнительно системы датчиков сигнала ошибки гашения. Вырабатываемый ими сигнал является управляющим дтя блока управления (БУ). Этот же сигнал используется для воз­ действия на фильтры БУ, кото­ рые, перестраиваясь с помощью специальных адаптивных алго­ ритмов, минимизируют сигнал ошибки. Упрощенная структурная схема адаптивной системы пред­ ставлена на рис. 12.17.

Конструктивно системы индивидуальной активной за­ щиты могут быть выполнены в виде облегченных головных телефонов открытого или за­

адаптивной системы индивидуальной аку­

крытого типа или в виде слухо­

стозащиты

вого аппарата, т. е. миниатюр-

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

Рис. 12.18. Активные наушники фирм Sennheiser (а) и Koss (б)

ного головного телефона (наушника-пробки) с автономным блоком управ­ ления. Второй вариант имеет ряд преимуществ, например, обладает мень­ шими габаритами и массой, эргономичностью излучателя, но в силу ряда ограничений практическая реализация этого варианта затруднительна. В ка­ честве примера реализации системы индивидуальной защиты первого вида можно привести продукцию фирм Sennheiser (ФРГ) и Koss (США) (рис. 12.18).

Уменьшение размеров акустических преобразователей, снижение их массы и улучшение эргономичности являются одной из важнейших проблем проектирования систем индивидуальной активной акустозащиты. Размеще­ ние в амбушюрах головных телефонов накладывает ограничения не только на размеры датчиков внешнего поля, но и на диаграмму их направленности, динамический диапазон, форму АЧХ. При минимальных размерах микро­ фоны должны характеризоваться круговой диаграммой направленности, ди­ намическим диапазоном не менее 100 дБ, плоскими ФЧХ и АЧХ и малыми переходными искажениями. Чаще используют конденсаторные или электретные микрофоны, но у них есть недостаток — невозможность работы без внешнего блока питания. Желательно также наличие малошумящего усили­ теля с высоким входным сопротивлением для уменьшения шумов и наво­ док. В качестве примера можно привести конденсаторный микрофон МКЕ 2 Р-С фирмы Sennheiser с диаметром 4 мм, у которого неравномерность АЧХ лежит в диапазоне 20...20 000 Гц менее 3 дБ; динамический диапазон 130 дБ; чувствительность 10 мВ/Па.

При разработке миниатюрных и эргономичных излучателей для сис­ тем индивидуальной акустозащиты необходимо учитывать, что для эффек­ тивного воспроизведения низких частот, где в основном и приходится гене­ рировать противофазные сигналы, необходимо, чтобы подвижная система излучателя перекачивала значительный объем воздуха. Этого можно до­ биться двумя путями: увеличением диаметра диафрагмы и увеличением хо­ да подвижной системы.

4 9 8

12.2.Организация рабочего места при эксплуатации ЭА

Внастоящее время системы индивидуальной активной акустозащиты находят применение при создании систем коллективной акустозащиты и разработки специализированных вариантов индивидуальной шумозащиты, ориентированных на различные условия эксплуатации в авиации, на желез­ нодорожном транспорте и при использовании сильношумящего технологи­ ческого оборудования (мотопилы, различные вибраторы и т. п.).

Требования к освещенности рабочих мест

При разработке ЭА необходимо учитывать требования к освещенно­ сти рабочих мест. Искусственное освещение в помещениях, где эксплуати­ руется ЭА, в соответствии с требованиями СанПиН должно осуществляться системой общего равномерного освещения. Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300...500 лк. До­ полнительно допускается установка светильников местного освещения. Это освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана и увеличи­ вать освещенность экрана более 300 лк. Следует также ограничивать пря­ мую блесткость от источников освещения, при этом яркость светящихся по­ верхностей, находящихся в поле зрения, должна быть не более 200 кд/м2. Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочих поверхностях за счет правильного выбора типов светильников и расположения источников естественного и искусственного освещения по отношению к рабочим местам, при этом яркость бликов на экране мониторов не должна превышать 40 кд/м2, а яркость потолка при применении отраженного освещения не должна пре­ вышать 200 кд/м2.

Показатель ослепленности для источников общего искусственного ос­ вещения в производственных помещениях должен быть не более 20, показа­ тель дискомфорта в административно-общественных помещениях — не бо­ лее 40, в учебных помещениях — не более 25.

Следует ограничивать неравномерность распределения яркости в поле зрения человека-оператора, при этом соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1— 5:1, а между рабочими поверх­ ностями и поверхностями стен и оборудованием — 10:1.

Общее освещение следует выполнять в виде сплошных или прерыви­ стых линий светильников, расположенных сбоку от рабочих мест, парал­ лельно линии зрения пользователя при рядном расположении ЭА. При пе­ риметрическом расположении аппаратуры линии светильников должны располагаться локализовано над рабочим столом ближе к его переднему краю, обращенному к оператору.

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

Для освещения помещений с ЭА следует применять светильники се­ рии ЛП036 с зеркализованными решетками, укомплектованные высокочас­ тотными пускорегулирующими аппаратами (ВЧ ПРА). Допускается исполь­ зовать светильники прямого света типа П, преимущественно прямого света типа Н, преимущественно отраженного света типа В. Применение светиль­ ников без рассеивателей не допускается.

При использовании отраженного освещения в производственных и административно-общественных помещениях допускается применение ме­ таллогалогенных ламп мощностью до 250 Вт. Допускается применение ламп накаливания в светильниках местного освещения.

Яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90° с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м2, защитный угол светильников должен быть не менее 40°. Светильники местного освещения должны иметь не просвечивающий отра­ жатель с защитным углом не менее 40°.

Коэффициент запаса для осветительных установок общего освещения должен приниматься равным 1,4. Коэффициент пульсации не должен пре­ вышать 5 %. При отсутствии светильников с ВЧ ПРА лампы многолампо­ вых светильников или рядом расположенные светильники общего освеще­ ния следует включать в разные фазы трехфазной сети.

Для обеспечения нормируемых значений освещенности в помещениях ис­ пользования ЭА следует проводить чистку стекол оконных рам и светильников не реже двух раз в год и проводить своевременную замену перегоревших ламп.

Требования к электро- и пожаробезопасности

При работе с ЭА человек-оператор может подвергаться воздействию электротока или огня в случае возникновения пожара в помещении.

В целях защиты пользователя ЭА от перечисленных факторов необхо­ димо соблюдение им мер электро- и пожаробезопасности, в том числе ис­ пользование только исправных устройств (ЭВМ и т. п.). Рабочее помещение должно быть оборудовано системой мониторинга с использованием датчи­ ков дыма и огня. В доступном месте должны быть расположены углеки­ слотные огнетушители и аптечки первой помощи.

Основные меры защиты от поражения током:

•обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения применением защитных кожу­ хов, изоляции и скрытия открытой проводки в кабельных каналах;

•устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпу­ сах, кожухах и других частях электрооборудования защитным заземлением;

•организация безопасной эксплуатации электроприборов.

500

12.3. Проектирование эргономичных узлов иустройств ЭА

Категория производства по пожарной опасности в значительной сте­ пени определяет требования к зданию, его конструкциям и планировке, ор­ ганизацию пожарной охраны и ее техническую оснащенность, требования к режиму и эксплуатации. Согласно нормативным документам помещение, в котором эксплуатируется стационарная ЭА, относится к категории В — произ­ водство, в кагором используются горючие и трудногорючие вещества и мате­ риалы (в том числе пыль).

12.3. Проектирование эргономичных узлов и устройств ЭА

Проектирование устройств отображения информации

Устройства отображения информации являются неотъемлемой частью практически любой информационной и управляющей системы, причем именно они во многом определяют эргономические параметры системы в целом, так как находятся непосредственно на рабочем месте человека-оператора.

К мониторам часто применяют правило «чем больше, тем лучше». Выбор размера и разрешения экрана зависят в основном от прикладной за­ дачи. Для систем общего назначения наиболее удобным является монитор с размером трубки 15... 19". Под размером монитора чаще всего подразуме­ вают размер стекла электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), хотя истинный размер изображения на таких мониторах, измеренный от угла к углу по диагонали, обычно на 1 дюйм меньше размера монитора. Комбинации размера монитора и установленного разрешения должны соответствовать требованиям ISO 9241/3 — международного стандарта по эргономике мониторов (табл. 12.17). Символы малых размеров могут также оказаться в противоречии с требованиями действующего законодательства по безо­ пасному использованию экранов.

501