27

Лекция №4.

Тема лекции: Слуховой анализатор человека-оператора.

Характеристика слухового анализатора.

Наряду с использованием зрительного представления информации в системах отображения применяется и слуховая форма представления информации. Характерными особенностями слухового анализатора являются:

способность быть готовым к приему информации в любой момент времени;

способность воспринимать звуки в широком диапазоне частот и выделять необходимый;

способность устанавливать со значительной точностью местоположение источника звука.

В связи с этим слуховое предъявление информа­ции осуществляется в тех случаях, когда оказывается возможным использовать указанные свойства слухово­го анализатора. Наиболее часто слуховые сигналы при­меняются для сосредоточения внимания человека-опе­ратора (предупредительные сигналы), для передачи ин­формации человеку-оператору, находящемуся в положе­нии, не обеспечивающем ему достаточной для работы ви­димости приборной панели, а также для разгрузки зрительной системы.

Для эффективного использования слуховой формы представления информации необходимо знание характе­ристик слухового анализатора человека-оператора.

Свойства слухового анализатора оператора прояв­ляются в восприятии звуковых сигналов. Звуковые сиг­налы характеризуются следующими параметрами: ам­плитуда, частота, форма звуковой волны, длительность звука.

Амплитуда звуковых сигналов обычно представляется через звуковые давления. Установлено, что оператор способен воспринимать звуки в диапозоне 10^-4—10³микробор. В связи с большой величиной диапазона давлений оказывается целесообразным введение парамет­ра — уровня звукового давления, определяемого уравнением

L = 20lg (p₁/p₀),

где L— уровень звукового давления при давленииp₁;p₀— исходное давление.

В связи с тем, что в реальных условиях работы опера­тора всегда присутствует некоторый шум, возникает не­обходимость выделять полезный сигнал. В этих условиях оперируют с разницей между двумя уровнями звуковых давлений:

ΔL = L_c – L_ш = 20lg (p_c/p_ш),

где р_с — давление звукового сигнала;р_ш — давление зву­кового шума (фона).

Минимальный уровень определенного звука, который требуется для того, чтобы вызвать слуховое ощущение в отсутствие шума, называют абсолютным порогом слыши­мости. Значение абсолютного порога зависит от тона зву­ка (частота, длительность, форма звукового сигнала), метода его предъявления и субъективных особенностей слухового анализатора оператора.

Различают три общепринятых абсолютных порога слышимости: минимально слышимое звуковое поле, ми­нимально слышимое звуковое давление, нормальный по­рог слышимости.

Минимально слышимое звуковое поле — это уровень звукового давления при абсолютном пороге слышимости молодого, тренированного оператора, слуховой анализа­тор которого не имеет физиологических отклонений. Опе­ратор ориентируется лицом к источнику звука и работает в звукопоглощающем помещении.

Минимально слышимое звуковое давление — это уро­вень звукового давления, значение которого отличается от предыдущего параметра в силу того, что человек-оператор работает в наушниках.

Нормальный порог слышимости — это условное зна­чение минимального уровня звукового давления на вхо­де звукового анализатора (уха) нетренированных опе­раторов, находящихся в бесшумном помещении и снабженных наушниками.

Рис. 1. Зависимость порога слышимости от высоты звукового сигнала.

На рис. 1 приведены зависимости рассмотренных типов абсолютного порога слышимости от частоты звукового сигнала. Абсолютный порог слышимости имеет тенденцию с возрастом уменьшаться. На рис. 2 приведены графики, характеризующие потерю слуха с возрастом у мужчин и женщин для различных частот звукового сигнала.

Рис. 2. Зависимость потери слуха с возрастом для различных частот звукового сигнала.

Сила слухового ощущения человека-оператора, вызванная звуковыми сигналами, называется громкостью. Для количественной оценки громкости введены шкалыуровня громкости и громкости. Уровень громкости зву­ка определяется как уровень звукового давления чис­того тона 10³ Гц, звучащего одинаково громко со звукосигналом. Шкала громкости используется в том случае, если громкости тонов не совпадают.

Высота звука, как и громкость, характеризует зву­ковое ощущение оператора и определяется субъектив­ными особенностями слухового анализатора восприни­мать звуковой сигнал, имеющий широкий спектр частот и различную громкость. Зависимость высоты звука от частоты звукового сигнала приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость минимально заметных различий в частоте звукового сигнала.

Слуховой анализатор оператора обладает свойством повышения порога слышимости звукового сигнала в ус­ловиях воздействия шума. Это явление получило наз­вание маскировки, а возросший абсолютный процесс слышимости — порогом маскировки.

Ухо человека-оператора осуществляет частичный анализ входного сиг­нала и, подобно полосовому фильтру, отсекает шумы и маски­ровочный тон, которые выходят за границы частот полезного сиг­нала. Таким образом, повышается отношение сигнал/шум, а, следо­вательно, и слышимость сигнала. Ширина полосы пропускания слу­хового анализатора изменяется в зависимости от частоты входного звукового сигнала и соответствует 50—200 Гц. Так, при частоте звукового сигнала 800 Гц ширина полосы пропускания слухового анализа­тора в условиях воздействия шума может составлять 50 Гц.

Слуховой анализатор человека способен фиксировать даже незначительные изменения частоты входного звуко­вого сигнала. Избирательность зависит от уровня звуко­вого давления, частоты, длительности звукового сигнала и способа его представления.

Рис. 4. Зависимость максимально заметных различий в частоте звукового сигнала при различных длительностях его звучания.

На рис. 4 приведены зависимости минимально за­метных различий в частоте чистых тонов, воспринимае­мых операторами от частоты звукового сигнала. График показывает, что минимально заметные различия состав­ляют 2—3 Гц и имеют место на частотах ниже 103 Гц, тогда как для частот выше 103 Гц минимально заметные различия составляют около 0,3 % частоты звукового сиг­нала.

Избирательность звукового анализатора повышается при благоприятных уровнях громкости (30 дБ и более) и длительности звучания, превышающей 0,1 с.

Рис. 5. Зависимость минимально заметных различий частоты звука от длительности сигнала.

На рис. 5 приведены зависимости минимально заметных различий частоты звука от длительности сигнала. Установле­но, что минимально заметные различия частоты звуко­вого сигнала при его периодическом повторении су­щественно уменьшаются. Оптимальными могут считаться сигналы, повторяющиеся с частотой 2—3 Гц.

Необходимо отметить, что слышимость, а следова­тельно, и обнаруживаемость звукового сигнала сущест­венно зависят от длительности его звучания. Так, для полного восприятия чистых тонов требуется длительность 200—300 мс. Повышение обнаруживаемости сигна­ла при увеличении длительности его звучания обуслов­лено тем, что процесс слухового обнаружения сигнала является следствием флуктуационных свойств фонового шума и с увеличением длительности оказывается воз­можным увеличить число независимых выборок фоно­вого шума для выделения полезного сигнала. Для выделения чистого тона на фоне маскирующего шума дли­тельность сигнала должна быть не менее 300 мкс.

Рис. 6. Зависимость порога маскировки от длительности звучания тона.

На рис. 6 приведена зависимость порога маскировки от длительности звучания тона. Если длительность звучания тона меньше 300 мкс, то произведение времени на интенсивность звукового воздействия — величина пос­тоянная. Это соответствует линейному участку приве­денной зависимости. Характерно, что для этого участка влияние частоты тона незначительно. Для обнаружения изменений в высоте тона звуковой сигнал должен длиться не менее 100 мкс.

Важной характеристикой слухового анализатора опе­ратора является его способность распознавать кодовые комбинации некоторого звукового кода. Если при кодиро­вании использовать только один параметр звукового сиг­нала, то оператор способен различить не более 4—5 кодо­вых комбинаций. Например, при кодировании частотой звукового сигнала количество различных градаций рав­но 4, а при кодировании интенсивностью количество града­ций 5. При кодировании частотой и интенсивностью коли­чество градаций различных кодовых комбинаций увеличи­вается до 8. Используя для кодирования большее количе­ство признаков звукового сигнала, можно получить боль­шее количество кодовых комбинаций, что позволяет с высокой эффективностью использовать слуховой анализатор человека-оператора.

Наряду с рассмотренными звуковыми сигналами в АСУ используются речевые сигналы для передачи ин­формации или команд управления от оператора к оператору. Особую актуальность эта проблема приобрела в последние годы в связи с использованием речево­го взаимодействия человек — технические средства в интеллектуальных системах, используемых в том числе и в АСУ.

Важным условием восприятия речи является различе­ние длительности и интенсивности отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произнесения гласного звука равно примерно 0,36 с, сог­ласного — 0,02—0,03 с. Восприятие и понимание речевых сообщений существенно зависят от темпа их передачи, наличия интервалов между словами и фразами и других факторов.

Так, оптимальным считается темп 120 слов/мин, ин­тенсивность речевых сигналов должна превышать ин­тенсивность шумов на 6,5 дБ.

При одновременном увеличении уровня речевых сиг­налов и шумов при постоянном их отношении разбор­чивость речи увеличивается до некоторого максимума. При значительном увеличении уровня речи и шума до 120 и 115 дБ соответственно разборчивость ре­чи ухудшается на 20 %.

Экспериментальные исследования процессов восприя­тия отдельных слов (команд), словосочетаний и завер­шенных фраз показали, что опознание речевых сигналов зависит от длины слова. Так, односложные слова пра­вильно распознаются в 12,7 % случаев, шестисложные — в 40,6 %. Это объясняется наличием в сложных словах большого числа опознавательных признаков. Имеет место повышение точности распознавания слов, начина­ющихся с гласного звука (на 10 %).

На восприятие слов решающее влияние оказывают синтаксические и фонетические закономерности. Так, установление синтаксической связи между словами в ряде случаев позволяет восстановить пропущенный сиг­нал.

При переходе к фразам оператор воспринимает не разрозненные сигналы, а некоторые грамматические конструкции, длина которых (до уровня 11 слов) не имеет особого значения.

Таким образом, вопрос организации звукового и ре­чевого взаимодействия оператор — оператор, оператор — техническое средство является отнюдь не тривиальным и его оптимальное решение оказывает существенное влияние на эффективность функционирования АСУ, эффективность человеко-машинного интерфейса.