Слуховой анализатор в деятельности человека-оператора
Устройство слухового анализатора. Параметры звуковых колебаний, воспринимаемые слуховым анализатором человека. Энергетические абсолютные пороги слухового анализатора. Временные абсо-лютные пороги слухового анализатора. Пространственные абсолютные пороги слухового анализатора. Дифференциальные пороги слухового анализатора. Восприятие на слух параметров движения объектов.
В системах управления часть информации поступает к человеку в форме звуковых сигналов. Отражающие эти сигналы ощущения вызываются действием звуковой энергии на слуховой анализатор.
Органом – рецептором слухового анализатора человека является ухо человека. Его условно можно разделить на три основных структурных компонента: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.
Наружное ухо состоит из ушной раковины, наружного слухового прохода и барабанной перепонки
Ушная раковина исполняет несколько функций: защищает от механических повреждений чувствительные внутренние структуры уха, направляет в слуховой проход улавливаемые колебания воздуха, способствует определению направления на источник звука и расстоянию до него.
Наружный слуховой проход – это канал, имеющий вид желобка с длиной и диаметром, равными 2,5 - 3 мм и 7 мм соответственно, и с открытым входным (наружным) и слепым (внутренним) отверстиями. Его назначение – улавливание звуковых колебаний и передачи их барабанной перепонке.
Барабанная перепонка – тонкая, полупрозрачная мембрана, отделяющая наружный слуховой проход от среднего уха. Звуковое давление вызывает вибрацию барабанной перепонки и именно здесь изменения звукового давления преобразуются в механическое движение.
За барабанной перепонкой находится полость среднего уха. Основное назначение среднего уха – выравнивание сопротивлений воздушной среды наружного уха и жидкой среды внутреннего уха и обеспечение эффективной передачи звуковых колебаний из первого во второе. Непосредственно к барабанной перепонке примыкает молоточек – первая из трех слуховых косточек. Он связан с наковальней, которая, в свою очередь, связана со стременем. Основание стремени вставлено в овальное окно, которое является входом во внутреннее ухо. Слуховые косточки прочно соединены связками, они передают колебания барабанной перепонки овальному окну, причем основание стремени играет роль поршня. Среднее ухо заполнено воздухом, а внутреннее – водянистой жидкостью, что создает разницу сопротивлений прохождению звуковой волны на границе этих сред.
Евстахиева труба связывает полость среднего уха с глоткой и защищает от воздействия перепадов атмосферного давления. Благодаря ей давление в среднем ухе равно наружному давлению.
Внутреннее ухо – это небольшая (длиной 25-30 мм) трубчатая структура, представляющая собой спираль, называемая улиткой. В центральном канале улитки находится кортиев орган, который и преобразует звуковые колебания в нервные импульсы.
Как физическое явление звуковая волна характеризуется частотой, амплитудой (интенсивностью) и сложностью, которым соответствуют такие психологические эффекты как высота, громкость и тембр соответственно.
Частота (f) – это число циклов изменения давления (т.е. переходов от сжатия к раздражению и обратно), происходящих в течение 1с. Считается, что молодые люди способны воспринимать звуки с частотой от 20 до 20000 Гц. Звуки, частота которых ниже 20 или выше 20000 Гц находятся ниже и выше порога слухового восприятия человека. Психологическим параметром аудиального стимула, непосредственно связанным с его частотой, является абсолютная высота тона.
Амплитуда (интенсивность) звука – это количественная характеристика изменения звукового давления, т.е. степени смещения (компрессии или декомпрессии) относительно положения покоя. Измеряется в динах на квадратный сантиметр (дин/см2) или в ньютонах на квадратный метр (Н/м2).
Интервал амплитуд, к которым чувствительно ухо человека чрезвычайно широк, поэтому для оценки интенсивности звука используется логарифмическая шкала. Параметр силы звука при этом называется уровнем звукового давления (УЗД), он измеряется в децибелах (дБ) и определяется по формуле:
Lp = 20 lg P/P0,
где Lp – уровень звукового давления (дБ);
Р – звуковое давление, (дин/см2);
Р0 – эталонное давление (порог слышимости), равное 0,0002 дин/см2.
Психологическим параметром, определенным интенсивностью является громкость.
Психологическим параметром восприятие звука, отражающим сложность звуковой волны, является тембр.
Основными количественными характеристиками слухового анализатора являются абсолютный и дифференциальные пороги.
Нижний абсолютный порог по частоте соответствует частоте 16 Гц, а верхний – 20 кГц.
Нижний абсолютный порог по интенсивности соответствует интенсивности звука, обнаруживаемого испытуемым с вероятностью 0,5 на частоте 2000 Гц, и составляет 0 дБ.
Верхний порог соответствует интенсивности, при которой возникают различные болевые ощущения, и составляет 20 Па или 120 дБ. Между ними расположена область восприятия речи.
Человек оценивает звуки, различные по интенсивности, как равные по громкости, если частоты их также различны.
Абсолютный временной порог чувствительности акустического анализатора определяется длительностью звукового раздражителя, необходимой для возникновения звукового ощущения. Он так же, как пороги по громкости и частоте, не является постоянной величиной.
С увеличением как интенсивности, так и частоты он уменьшается. При достаточно высокой интенсивности (30 дБ и более) и частоте (1000 Гц и более) слуховое ощущение возникает уже при длительности звукового раздражителя, равной всего 1 мс. Однако при уменьшении интенсивности звука той же частоты до 10 дБ временной порог достигает 50 мс. Аналогичный эффект дает и уменьшение частоты.
Дифференциальный порог по интенсивности – это величина едва различимой прибавки к исходной величине звукового раздражителя. Зависит от интенсивности и от частоты.
В пределах среднего участка диапазона изменения звука по частоте и интенсивности величина энергетического дифференциального порога примерно постоянна и составляет 0,1 от исходной интенсивности раздражителя.
Дифференциальный порог по частоте зависит как от частоты исходного звука, так и от его интенсивности.
В пределах от 60 до 2000 Гц при интенсивности звука выше 30 дБ абсолютная величина едва различимой прибавки по частоте равна примерно 2–3 Гц. Для звуков выше 2000 Гц величина резко возрастает и изменяется пропорционально росту частоты.
Относительная величина дифференциального порога по частоте для звуков в диапазоне 200–16000 является почти константой и равна примерно 0,002.
При уменьшении интенсивности звука ниже 30 дБ величина дифференциального порога резко возрастает.
Разрешающая способность слуха по частоте максимальна в области 1000–3000 Гц и падает в области низких частот.
Дифференцирование двух звуков по частоте и интенсивности зависит от соотношения их по длительности и интервала между ними. Как правило, звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем неравные.
Акустический анализатор обеспечивает также дифференцирование источника звука в пространстве, т.е. определение расстояния до него и местоположение источника относительно субъекта.
При этом точность дифференцировки на расстоянии 1 – 5 метров невысока и составляет несколько десятков сантиметров. Расстояние до движущегося объекта определяется на слух точнее, чем до неподвижного.
Важную роль в оценке определения расстояния до источника звука играет различение изменений громкости. Звук, громкость которого увеличивается, воспринимается как приближающийся, и наоборот.
Другим основанием оценки расстояний на слух является звуковысотное различение (различение по высоте тона). При приближении звучащего тела к слушателю частота звуковых колебаний увеличивается, а при его удалении – уменьшается (эффект Доплера). Это отражается в слуховых ощущениях в виде изменения высоты тона.
Точность распознавания направления звука различна по отношению к волнам разной частоты.
Для низких частот (до 800 Гц) порог различения направления в горизонтальной плоскости равен примерно 10–11°.
С увеличением частоты он возрастает (точность уменьшается), достигая 20–22° в районе 3000 Гц, а затем вновь падает (точность увеличивается).
Для частоты 10 000 Гц порог различения направления не превышает 13°.
Точность определения направления зависит также от положения источника звука относительно координат тела человека.
Наиболее точно определяется направлениe в горизонтальной плоскости. При этом на первом месте по точности оказывается правое направление, затем левое. Достаточно хорошо определяется переднее направление. Но с ним часто смешиваются верхнее и заднее.
Точность оценки верхнего и заднего направлений в два с лишним раза меньше по сравнению с левым и правым.