人體感知與運(yùn)動(dòng)特征

1、主要內(nèi)容,1.人在系統(tǒng)中的功能,3.聽覺機(jī)能及其特征,4.其他感覺機(jī)能及其特征,5.人的信息處理系統(tǒng),2.視覺機(jī)能及其特征,6.運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)能及其特征,7.人的運(yùn)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)“環(huán)節(jié)”來研究，人與外界發(fā)生聯(lián)系的主要是三個(gè)子系統(tǒng)，即感覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)見圖3-1。,感知響應(yīng)系統(tǒng)感知響應(yīng)過程,圖3-1 人機(jī)系統(tǒng)示意圖,3.1.2

2、 人的感知與反應(yīng)機(jī)能（感知響應(yīng)）,1. 反射?。ǚ瓷涞纳斫Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)） 反射是神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)肌體活動(dòng)的一種基本形成.反射活動(dòng)的全部結(jié)構(gòu)組成反射??；反射弧具有五個(gè)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(yīng)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(jī)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(jī)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(chǎng)合參閱表3-1。,返回,3.2 視覺機(jī)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(gè)電磁光譜的一小部分，其波長(zhǎng)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(dòng)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(gòu)造與照相機(jī)類似，見圖3-5 。 　視網(wǎng)膜最外層細(xì)胞包括視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，它們是接受信息的主要細(xì)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(jié)構(gòu)示意圖,返回,表B1,視網(wǎng)膜的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞的不同性質(zhì),返回,3.2.3 視覺機(jī)能,1.視角與視力 視角：由瞳孔中心到觀察對(duì)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(diǎn)的直線距離； L—眼睛到被看物體的距離。,在工業(yè)設(shè)計(jì)中，視角是確定設(shè)計(jì)可視對(duì)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(diǎn)的視角。（按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，人站在離視力檢查表5m遠(yuǎn)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(shí)的臨界視角=1´。）視力：眼睛分辨物體細(xì)微結(jié)構(gòu)能力的一個(gè)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(shí)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(dòng)視野 ) 動(dòng)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(nèi)——最優(yōu)視區(qū)； 10º—20

7、6;——瞬息視區(qū)；（能在很短的時(shí)間內(nèi)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(nèi)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(yīng)根據(jù)觀察目標(biāo)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(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)視線為水平視線，最大固定視野為115°，標(biāo)準(zhǔn)視線上方50°，下方70°，擴(kuò)大的視野為150°，站立時(shí)的自然視線低于水平線10°

9、，坐著時(shí)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(shí)的自然視線偏離標(biāo)準(zhǔn)視線分別是30°和38°。因此，人在輕松的時(shí)刻觀看展覽時(shí)，展示物的位置在低于標(biāo)準(zhǔn)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(wù)視距的推薦值,圖3-6 人的水平視野,返回,在水平面內(nèi)最大固定雙眼視野為180°，擴(kuò)大的視野為190°，在標(biāo)準(zhǔn)視線左右各10°

10、;～20°視野內(nèi)可以辨別字。在標(biāo)準(zhǔn)視線左右各5°～30°視野內(nèi)可以辨別字母，在標(biāo)準(zhǔn)視線右30°～60°范圍是顏色視野，人最敏銳的視力是在標(biāo)準(zhǔn)視線兩側(cè)各10°的視野內(nèi)。,3. 中央視覺和周圍視覺 中央視覺（明視覺）—視維細(xì)胞（感色能力強(qiáng)、能清晰分辨物體）。 周圍視覺（暗視覺）—視桿細(xì)胞（觀察空間范圍和正在運(yùn)動(dòng)的物體）。,操作者在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，除要注視操作對(duì)象外，還要

11、求看到周圍情況。如果視野很小或缺損，將會(huì)對(duì)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(shí)，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(nèi)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(yuǎn)近等相對(duì)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(duì)眼的刺激能引起感覺的范圍。(見圖3-7),6. 暗適應(yīng)和明適應(yīng)(視覺的適應(yīng)) 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(yīng)和明適應(yīng)兩種。 見圖3-8 根據(jù)視覺的明暗適應(yīng)特征，要求在設(shè)計(jì)工作面照明時(shí)，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(diào)節(jié)，不僅會(huì)增加眼睛的疲勞，而且會(huì)引起錯(cuò)誤操作。7、眩光 物體表面產(chǎn)生的刺眼和耀眼的強(qiáng)烈光線，稱為眩光。,目標(biāo)與背景有一定的對(duì)比度時(shí)，人眼才能看清其形狀。這種對(duì)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(shí)，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(duì)比度；臨界對(duì)比的倒數(shù)稱為對(duì)比感度。,8、對(duì)比感度,式中：CP ——臨界對(duì)比度 △Lp——臨界亮度差 Lp——背景亮度 Lo ——物體的亮度 SC——對(duì)比感度,對(duì)比感度與照度、物體尺寸、視距、和眼的適應(yīng)情況等因素有關(guān)。在理想情況下，視

14、力好的人，其臨界對(duì)比度約為0.01，也就是其對(duì)比感度達(dá)到100。,圖3-7 人的色視野,眼睛的色視野,返回,圖3-8 明適應(yīng)與暗適應(yīng),1. 疲勞程度：水平優(yōu)于垂直。2. 視線變化習(xí)慣：左—右，上—下，順時(shí)針。3. 準(zhǔn)確性：水平尺寸和比例的估計(jì)更準(zhǔn)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(diǎn)。5. 設(shè)計(jì)依據(jù)：以雙眼視野為設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律,,7.顏色的易辨認(rèn)順序：紅、綠、黃、白； 顏色相配時(shí)的易辨認(rèn)順序：黃底黑字、黑底白字、藍(lán)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(huì)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(guān)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(guān)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(shí)間內(nèi)向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量，用符號(hào)φ表示，單位為流明（lm）。光通量是光源的一個(gè)重要參數(shù)，是照明設(shè)計(jì)的必備數(shù)據(jù)。 當(dāng)波長(zhǎng)為555nm的黃、綠光的輻射功率為1W時(shí)，人眼感覺量為680lm，所以1lm就相當(dāng)于波長(zhǎng)為555nm的單色光輻射功率為（1/680）W時(shí)的光通量。 1光瓦=680lm,照明的基本概念,2、發(fā)光強(qiáng)度

17、 光源在空間某一特定方向上單位立體角內(nèi)（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(qiáng)度（簡(jiǎn)稱光強(qiáng)），用符號(hào)Iθ表示，單位為坎德拉（cd）。其計(jì)算公式為： Iθ=φθ/ωθ式中：ωθ——球面所對(duì)應(yīng)的立體角（sr:立體弧度）　 φθ——在ω立體角內(nèi)所輻射的光通量（lm） Iθ——表示光通量在空間各個(gè)方向上的分布情況。,3、照度,照度是用來表示被照面（點(diǎn)）上光的強(qiáng)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(hào)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(qiáng)度稱為該物體表面的亮度，

19、用符號(hào)L來表示，表達(dá)式為： L=Iθ/Scosθ 式中 Iθ----發(fā)光體在視線方向上的光強(qiáng)(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(xué)內(nèi)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(dòng)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(nèi)耳耳蝸 起輔助作用的部位：外耳、中耳、內(nèi)耳的其它部分，見圖3-9。,3.3 聽覺機(jī)能及其特征,圖3-9 （a）人耳的基本結(jié)構(gòu) （b）耳蝸,人耳的構(gòu)造,一 、聲功率（W）  聲功率是指單位時(shí)間內(nèi)，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(cè)中，聲功率是指聲源總聲功率。

21、單位為W。 二、聲強(qiáng)（I）   聲強(qiáng)是指單位時(shí)間內(nèi)，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(xué)常識(shí),四、分貝、聲壓級(jí) 分貝：是聲音音量的度量值，是指兩個(gè)相同的物理（例A和A0）之比取以10為底的對(duì)數(shù)并乘以10（或20）。 N = 10lg(A/A0)或 N = 20lg(A/A0)

22、 分貝符號(hào)為“dB”，它是無量綱的。式中：A0是基準(zhǔn)量（或參考量），A是實(shí)測(cè)度量。 聲壓級(jí)：LP = 20lg(P/P0)式中： LP＿＿ 聲壓級(jí)（dB）；         P ＿＿　實(shí)測(cè)聲壓（Pa）；          P0＿＿　基準(zhǔn)聲壓，為2&#

23、215;10-5Pa，該值是對(duì)1000HZ的純音，人耳剛能聽到的最低聲壓。,聲強(qiáng)級(jí)：  LI = 10lg(I/I0)　　　式中：LI ＿＿ 聲壓級(jí)(dB)；      I ＿＿ 實(shí)測(cè)聲強(qiáng)（W/m2）；      I0＿＿基準(zhǔn)聲強(qiáng)，為10-12 W/m2。,聲功率級(jí)： Lw =10lg(W/W0)

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

25、宋的定義為聲壓級(jí)為40dB,頻率為1000Hz,且來自聽者正前方的平面波形的強(qiáng)度。如果另一個(gè)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(jí)(LN)：響度級(jí)是建立在兩個(gè)聲音主觀比較的基礎(chǔ)上，選擇1000Hz的純音作基準(zhǔn)音，若某一聲音聽起來與該純音一樣響，則該聲音的響度級(jí)在數(shù)值上就等于這個(gè)純音的聲壓級(jí)（dB）。響度級(jí)用LN表示，單位是“方”。如果某聲音聽起來與聲壓級(jí)為80dB，頻率為1000Hz的純音一樣響，則該聲音的響度級(jí)

26、就是80方。 不同聲音的響度級(jí)可從ISO等響曲線上查出來。,,等響曲線,返回,響度與響度級(jí)的關(guān)系,3.3.3 聽覺的物理特性,（聲音：音調(diào)、強(qiáng)度、音色）1 .頻率響應(yīng)（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(zhǎng)而逐年連續(xù)下降，見圖3-10； 聽覺的頻率響應(yīng)特性對(duì)聽覺傳示裝置的設(shè)計(jì)是很重要的。,圖3-10　聽力損失曲線,返回,2. 動(dòng)態(tài)范圍（聲音的強(qiáng)度） 聽覺聲強(qiáng)的動(dòng)態(tài)范圍=正

27、好可忍受的聲強(qiáng) / 正好能聽見的聲強(qiáng)　　　　　　　　　　?。?）聽閾：在最佳的聽聞?lì)l率范圍內(nèi)，一個(gè)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(qiáng)Imin。圖3-11 a、在800-1500Hz頻率范圍內(nèi)，聽閾無明顯變化； b、低于800Hz，可聽聲音的強(qiáng)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(shí)，靈敏度再次下降。,（2）痛閾：對(duì)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(qiáng)Imax。 （1）與（2）都與頻率有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)） （1）時(shí)差：?t=聲音到兩耳的時(shí)間差。人耳可覺察到的聲音信號(hào)入射的最小偏角為3°， ?t=30us。（2）由于

29、頭部的掩蔽效應(yīng)，造成聲音頻譜的改變。（3）人耳對(duì)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(yīng)　掩蔽：一個(gè)聲音被另一個(gè)聲音所掩蓋的現(xiàn)象?！⊙诒涡?yīng)：一個(gè)聲音的聽閾因另一個(gè)聲音的掩蔽作用而提高的效應(yīng)。,圖3-12 聽覺的方向敏感度,自學(xué)內(nèi)容,9.2　人與熱環(huán)境(教材),3.4 其他感覺機(jī)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(shí)，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(diǎn)閾限,2. 溫度覺 高溫作業(yè)：高于25度 GB4200-1997 —《高溫作業(yè)分級(jí)》 GB953-1989 —《高溫作業(yè)允許持續(xù)接觸時(shí)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(jí)》GB/T14440-9