人體感知與運動特征

1、主要內容,1.人在系統(tǒng)中的功能,3.聽覺機能及其特征,4.其他感覺機能及其特征,5.人的信息處理系統(tǒng),2.視覺機能及其特征,6.運動系統(tǒng)的機能及其特征,7.人的運動輸出,3.1 人在系統(tǒng)中的功能,3.1.1 人是系統(tǒng)中的重要“環(huán)節(jié)” 把操作者作為人機系統(tǒng)中的一個“環(huán)節(jié)”來研究，人與外界發(fā)生聯(lián)系的主要是三個子系統(tǒng)，即感覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運動系統(tǒng)見圖3-1。,感知響應系統(tǒng)感知響應過程,圖3-1 人機系統(tǒng)示意圖,3.1.2

2、 人的感知與反應機能（感知響應）,1. 反射弧（反射的生理結構基礎） 反射是神經(jīng)系統(tǒng)調節(jié)肌體活動的一種基本形成.反射活動的全部結構組成反射??；反射弧具有五個基本環(huán)節(jié)，即感受器 傳入神經(jīng)元 中間神經(jīng)元 傳出神經(jīng)元 放應器。見圖3-2（a）。,,,,,反射弧,,圖3-2反射弧和信息鏈,2. 信息鏈 人機系統(tǒng)的信息在人的神經(jīng)系統(tǒng)中的循環(huán)過程形成信息鏈。見圖3-2（b

3、）。,3.1.3 感覺通道與適用的信息,人機系統(tǒng)中的最常用的感覺通道是視覺通道（80%）、聽覺通道（14%）和觸覺和其他通道（6%）。其適用場合參閱表3-1。,返回,3.2 視覺機能及其特征,3.2.1 視覺刺激 視覺的適宜刺激是光。人的兩眼可以感受到的光波只占整個電磁光譜的一小部分，其波長為380～780nm，見圖3-3。,3.2.2 視覺系統(tǒng),視覺系統(tǒng)由眼睛、視神經(jīng)和視覺中樞的共同活動組成。見圖3-4 。

4、 眼睛是視覺的感受器官，人眼是直徑為21～25mm的球體，其基本構造與照相機類似，見圖3-5 。 　視網(wǎng)膜最外層細胞包括視桿細胞和視錐細胞，它們是接受信息的主要細胞。如表B1。,圖3-3 全部電磁波中的光譜可見,返回,圖3-4　人的視覺系統(tǒng),返回,圖3-5 眼睛結構示意圖,返回,表B1,視網(wǎng)膜的視桿細胞和視錐細胞的不同性質,返回,3.2.3 視覺機能,1.視角與視力 視角：由瞳孔中心到觀察對象兩端所張開的角度。（如圖3-5）

5、 α=2arctg(D/2L) α—視角； D—被看物體上兩端點的直線距離； L—眼睛到被看物體的距離。,在工業(yè)設計中，視角是確定設計可視對象尺寸大小的依據(jù)。,臨界視角：眼睛能分辨被看物體最近兩點的視角。（按標準規(guī)定，人站在離視力檢查表5m遠處觀看表中第十行“E”字，若能分辨清楚，視力為1.0即視力正常，此時的臨界視角=1´。）視力：眼睛分辨物體細微結構能力的一個生理尺度

6、，以臨界視角的倒數(shù)來表示。 視力=1/能夠分辨的最小物體的視角,2. 視野與視距,視野：眼睛觀看正前方物體時所能看得見的空間范圍,常以角度來表示。(靜視野、注視視野、動視野 ) 動視野:見圖3-6。 水平視野（單視野/雙視野）: 1.5º—3.0º——特優(yōu)視區(qū)；（物象落在黃斑上） 10º以內——最優(yōu)視區(qū)； 10º—20

7、6;——瞬息視區(qū)；（能在很短的時間內看清物體） 20º—30º——有效視區(qū)；（需集中注意力看） 其余：良好視區(qū)。,垂直視野:（如圖3-6） 水平視線上下1.5º 為特優(yōu)視區(qū)； 水平視線以下10º為最優(yōu)視區(qū)； 水平視線以上10º，以下10º—30º內為有效視區(qū)；其余：良好視區(qū)。視距：指人在操作系統(tǒng)中正常的觀察距離，幾

8、種工作視距推薦值參閱表3-2。,舒適視線：直立：水平視線以下15度；放松立：水平視線以下30度；放松坐：水平視線以下40度。,一般應根據(jù)觀察目標的大小和形狀以及工作要求確定視距，普通操作的視距范圍在38～76cm之間，在56cm處最為適宜。,在垂直面內，標準視線為水平視線，最大固定視野為115°，標準視線上方50°，下方70°，擴大的視野為150°，站立時的自然視線低于水平線10°

9、，坐著時自然視線代于水平視線15°；人在很低松馳的狀態(tài)中，站著和坐著時的自然視線偏離標準視線分別是30°和38°。因此，人在輕松的時刻觀看展覽時，展示物的位置在低于標準視線30°的區(qū)域里。,圖3-6 人的垂直視野,返回,返回,表3-2不同工作任務視距的推薦值,圖3-6 人的水平視野,返回,在水平面內最大固定雙眼視野為180°，擴大的視野為190°，在標準視線左右各10°

10、;～20°視野內可以辨別字。在標準視線左右各5°～30°視野內可以辨別字母，在標準視線右30°～60°范圍是顏色視野，人最敏銳的視力是在標準視線兩側各10°的視野內。,3. 中央視覺和周圍視覺 中央視覺（明視覺）—視維細胞（感色能力強、能清晰分辨物體）。 周圍視覺（暗視覺）—視桿細胞（觀察空間范圍和正在運動的物體）。,操作者在進行作業(yè)時，除要注視操作對象外，還要

11、求看到周圍情況。如果視野很小或缺損，將會對工作效率產(chǎn)生影響，甚至造成工作事故。因而，在選擇車、船駕駛員時，必須檢查其正常視野范圍。如果各方面的視野都縮小10°以內者稱為工業(yè)盲。,4. 雙眼視覺和立體視覺 雙眼視物：視野范圍較大；具有分辨物體深淺、遠近等相對位置的能力；能形成立體視覺。5. 色覺和色視野 色視野是指顏色對眼的刺激能引起感覺的范圍。(見圖3-7),6. 暗適應和明適應(視覺的適應) 人眼隨

12、視覺環(huán)境中光亮度的變化而感受性發(fā)生變化的過程，有暗適應和明適應兩種。 見圖3-8 根據(jù)視覺的明暗適應特征，要求在設計工作面照明時，需使其亮度均勻而且不產(chǎn)生陰影，否則，眼睛的頻繁明暗調節(jié)，不僅會增加眼睛的疲勞，而且會引起錯誤操作。7、眩光 物體表面產(chǎn)生的刺眼和耀眼的強烈光線，稱為眩光。,目標與背景有一定的對比度時，人眼才能看清其形狀。這種對比可以用顏色（背景與物體具有不同的顏色），也可以用亮度（背景與物體在亮度上有一

13、定的差別）。人眼剛剛能看辨別到物體時，背景與物體之間的最小亮度差稱為臨界亮度差。臨界亮度差與背景亮度之比稱為臨界對比度；臨界對比的倒數(shù)稱為對比感度。,8、對比感度,式中：CP ——臨界對比度 △Lp——臨界亮度差 Lp——背景亮度 Lo ——物體的亮度 SC——對比感度,對比感度與照度、物體尺寸、視距、和眼的適應情況等因素有關。在理想情況下，視

14、力好的人，其臨界對比度約為0.01，也就是其對比感度達到100。,圖3-7 人的色視野,眼睛的色視野,返回,圖3-8 明適應與暗適應,1. 疲勞程度：水平優(yōu)于垂直。2. 視線變化習慣：左—右，上—下，順時針。3. 準確性：水平尺寸和比例的估計更準確。4. 觀察情況的優(yōu)先性：左上—右上—左下—右下視區(qū),儀表的布置必須考慮這一點。5. 設計依據(jù)：以雙眼視野為設計依據(jù)。6 .接受程度：直線輪廓優(yōu)于曲線輪廓。,3.2.4 視覺特征,

15、視覺的運動規(guī)律,,7.顏色的易辨認順序：紅、綠、黃、白； 顏色相配時的易辨認順序：黃底黑字、黑底白字、藍底白字、白底黑字、白底紅字。8、物體的顏色在有色光源的照射下會產(chǎn)生變化，顯現(xiàn)的顏色與物體本色，照射光線的顏色之間的關系有一定規(guī)律性。如表B2。9、眼睛在直視方向的最小分辨角和分辨顏色的情況。如表B3。10、視覺損傷 11、視覺疲勞,返回,表B2 顯現(xiàn)的顏色與物體本色、照射光的顏色之間的關系,,返回,表B3 最小可辯角度

16、和分辨顏色的情況,返回,1、光通量 光源在單位時間內向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量，用符號φ表示，單位為流明（lm）。光通量是光源的一個重要參數(shù)，是照明設計的必備數(shù)據(jù)。 當波長為555nm的黃、綠光的輻射功率為1W時，人眼感覺量為680lm，所以1lm就相當于波長為555nm的單色光輻射功率為（1/680）W時的光通量。 1光瓦=680lm,照明的基本概念,2、發(fā)光強度

17、 光源在空間某一特定方向上單位立體角內（每球面度）輻射的光通量空間刻度，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度（簡稱光強），用符號Iθ表示，單位為坎德拉（cd）。其計算公式為： Iθ=φθ/ωθ式中：ωθ——球面所對應的立體角（sr:立體弧度）　 φθ——在ω立體角內所輻射的光通量（lm） Iθ——表示光通量在空間各個方向上的分布情況。,3、照度,照度是用來表示被照面（點）上光的強弱。投射到被照面上的光通量與被照

18、面的面積之比稱為該面的照度，用符號E表示。定義式為： E=φ/S 式中：φ——被照面上接受的光通量(lm)　 S——被照面的面積(m2)，與光線垂直。 照度的單位為勒克斯(lx), 表示1流明的光通量均勻分布在1平方米的被照面上，即： 1(lx)=1(lm)/m2,4、亮度 發(fā)光體在視線方向單位投影面上的發(fā)光強度稱為該物體表面的亮度，

19、用符號L來表示，表達式為： L=Iθ/Scosθ 式中 Iθ----發(fā)光體在視線方向上的光強(cd)； Scosθ----發(fā)光體在視線方向上的投影面積m2； θ----視線方向與發(fā)光面法線（垂線）的夾角。 L的單位為坎德拉每平方米（cd/m2）,自學內容,9.3 人與光環(huán)境(教材),3.3.1 聽覺刺激 聽覺的適宜刺激是聲音，聲音的聲源是振動的物體，人的聽感

20、范圍：20～20000Hz。感受性最高的頻率范圍 :1000～4000Hz3.3.2 聽覺系統(tǒng) 起主要作用的部位：內耳耳蝸 起輔助作用的部位：外耳、中耳、內耳的其它部分，見圖3-9。,3.3 聽覺機能及其特征,圖3-9 （a）人耳的基本結構 （b）耳蝸,人耳的構造,一 、聲功率（W）  聲功率是指單位時間內，聲波通過垂直于傳播方向某指定面積的聲能量。在噪聲監(jiān)測中，聲功率是指聲源總聲功率。

21、單位為W。 二、聲強（I）   聲強是指單位時間內，聲波通過垂直于傳播方向單位面積的聲能量。單位為 W/m2。 三、聲壓（P） 聲壓是由于聲波的存在而引起的壓力增值。單位為Pa。,聲學常識,四、分貝、聲壓級 分貝：是聲音音量的度量值，是指兩個相同的物理（例A和A0）之比取以10為底的對數(shù)并乘以10（或20）。 N = 10lg(A/A0)或 N = 20lg(A/A0)

22、 分貝符號為“dB”，它是無量綱的。式中：A0是基準量（或參考量），A是實測度量。 聲壓級：LP = 20lg(P/P0)式中： LP＿＿ 聲壓級（dB）；         P ＿＿　實測聲壓（Pa）；          P0＿＿　基準聲壓，為2&#

23、215;10-5Pa，該值是對1000HZ的純音，人耳剛能聽到的最低聲壓。,聲強級：  LI = 10lg(I/I0)　　　式中：LI ＿＿ 聲壓級(dB)；      I ＿＿ 實測聲強（W/m2）；      I0＿＿基準聲強，為10-12 W/m2。,聲功率級： Lw =10lg(W/W0)

24、 式中： Lw——聲功率級（dB）；      W—— 實測聲功率（W）；        W0—— 基準聲功率，為10-12 W。,五、響度和響度級,響度（N）：  　　響度是人耳判別聲音由輕到響的強度等級概念，它不僅取決于聲音的強度(如聲壓級)，還與它的頻率及波形有關。響度的單位為“宋”,1

25、宋的定義為聲壓級為40dB,頻率為1000Hz,且來自聽者正前方的平面波形的強度。如果另一個聲音聽起來比1宋的聲音大n倍，即該聲音的響度為n宋。,響度級(LN)：響度級是建立在兩個聲音主觀比較的基礎上，選擇1000Hz的純音作基準音，若某一聲音聽起來與該純音一樣響，則該聲音的響度級在數(shù)值上就等于這個純音的聲壓級（dB）。響度級用LN表示，單位是“方”。如果某聲音聽起來與聲壓級為80dB，頻率為1000Hz的純音一樣響，則該聲音的響度級

26、就是80方。 不同聲音的響度級可從ISO等響曲線上查出來。,,等響曲線,返回,響度與響度級的關系,3.3.3 聽覺的物理特性,（聲音：音調、強度、音色）1 .頻率響應（感受性）人耳能聽聞的頻率比為fmin/fmax=1：1000；頻率感受的上限隨著年齡的增長而逐年連續(xù)下降，見圖3-10； 聽覺的頻率響應特性對聽覺傳示裝置的設計是很重要的。,圖3-10　聽力損失曲線,返回,2. 動態(tài)范圍（聲音的強度） 聽覺聲強的動態(tài)范圍=正

27、好可忍受的聲強 / 正好能聽見的聲強　　　　　　　　　　?。?）聽閾：在最佳的聽聞頻率范圍內，一個聽力正常的人剛剛能聽到給定各種頻率的正弦式純音的最低聲強Imin。圖3-11 a、在800-1500Hz頻率范圍內，聽閾無明顯變化； b、低于800Hz，可聽聲音的強度隨著頻率的降低而明顯增大； c、在3000-4000Hz之間，聽覺靈敏度最高； d、超過6000Hz時，靈敏度再次下降。,（2）痛閾：對于感受給定各種頻率的

28、正弦式純音，開始產(chǎn)生疼痛感的極限聲強Imax。 （1）與（2）都與頻率有關系，是在某一頻率下的聽閾值或痛閾值。（3）聽覺范圍：由聽閾和痛閾兩曲線所包圍的聽覺區(qū),見圖3-11。,標準靈敏度：f=1000Hz，I0=Imin=10-12 W/m2,圖3-11聽閾、痛閾與聽覺區(qū)域,返回,3.方向敏感度（雙耳效應） （1）時差：?t=聲音到兩耳的時間差。人耳可覺察到的聲音信號入射的最小偏角為3°， ?t=30us。（2）由于

29、頭部的掩蔽效應，造成聲音頻譜的改變。（3）人耳對不同頻率、來自不同方向的聲音的感受能力不同。見圖3-12。,4.掩蔽效應　掩蔽：一個聲音被另一個聲音所掩蓋的現(xiàn)象?！⊙诒涡阂粋€聲音的聽閾因另一個聲音的掩蔽作用而提高的效應。,圖3-12 聽覺的方向敏感度,自學內容,9.2　人與熱環(huán)境(教材),3.4 其他感覺機能及其特征,3.4.1 膚覺 膚覺是僅僅次于聽覺的一種感覺，可感受多種外界刺激，形成多種感覺。 1. 觸覺

30、 觸覺也稱壓覺或觸壓覺，是皮膚表面承受物體壓力或觸及物體時，所產(chǎn)生的一種感覺?！?(1)觸覺的敏感性：圖3-13 (2)觸覺的定位能力：圖3-14,(3)兩點閾限,2. 溫度覺 高溫作業(yè)：高于25度 GB4200-1997 —《高溫作業(yè)分級》 GB953-1989 —《高溫作業(yè)允許持續(xù)接觸時間限制》低溫作業(yè)：低于5度；冷水作業(yè)：水溫低于12度GB/T14439-93——《冷水作業(yè)分級》GB/T14440-9