Характеристики слухового анализатора

В системах управления значительная часть инфор­мации поступает к человеку в форме звуковых сигна­лов. Отражающие эти сигналы ощущения вызываются действием звуковой энергии на слуховой анализатор. Он состоит из уха, слухового нерва и сложной систе­мы нервных связей и центров мозга. В аппарат, обо­значаемый термином «ухо», входят: наружное (звуко­улавливающий аппарат), среднее (звукопередающий аппарат) и внутреннее (звуковоспринимающий аппа­рат) ухо. Ухо воспринимает определенные частоты звуков благодаря функциональной способности волокон его мембраны к резонансу. Физиологическое значение наружного и среднего уха заключается в проведении и усилении звуков. Слуховой анализатор человека улав­ливает форму волны, частотный спектр чистых тонов и шумов, осуществляет анализ и синтез в определенных пределах частотных компонент звуковых раздражении, обнаруживает и опознает звуки в большом диапазоне интенсивностей и частот. Слуховой анализатор позво­ляет дифференцировать звуковые раздражения и оп­ределять направление звука, а также удаленность его источника. Источником звуковых волн может быть любой процесс, вызывающий местное изменение дав­ления или механические напряжения в среде. Слухо­вой аппарат человека воспринимает как слышимый звук колебания с частотой 16 Гц — 20 кГц; ухо наибо­лее чувствительно к колебаниям в области средних частот — от 1000 до 4000Гц. Звуки частот ниже 16 Гц называются инфразвуками, а выше 20кГц — ультразву­ками. Инфразвуки и ультразвуки также могут оказы­вать воздействие на организм, но оно не сопровожда­ется слуховым ощущением.

Физически звук характеризуется амплитудой (ин­тенсивностью), частотой и формой звуковой волны. Интенсивностью звукового сигнала принято считать силу звука в Вт/м2. Так как сила звука пропорциональ­на квадрату звукового давления, то в практике пси­хофизиологической акустики чаще всего используется непосредственно звуковое давление, выраженное в децибелах от исходного уровня, равного 2x10—5 Па. Сила звука в децибелах определяется выражением

где J — сила звука данного сигнала; J₀ — исходный уровень силы звука эталонного сигнала.

Так как , то

где а — коэффициент пропорциональности; Р_зв — зву­ковое давление; — исходный уровень давления.

Давление 210 —5 Па при частоте 2000 Гц соот­ветствует силе звука, равной 10 ~12 Вт/м2, и считается абсолютным порогом звукового анализатора.

В реальных условиях деятельности человеку прихо­дится воспринимать звуковые сигналы на том или ином фоне. При этом фон может маскировать полезный сигнал, что, естественно, затрудняет его обнаружение. При разработке и конструировании акустических ин­дикаторов задача борьбы с эффектом маскировки и поисков оптимального отношения интенсивности полезного сигнала к интенсивности шума (фона) являет­ся одной из важнейших.

Основными количественными характеристиками слухового анализатора являются абсолютный и диф­ференциальный пороги. Нижний абсолютный порог соответствует интенсивности звука в децибелах, обна­руживаемого испытуемым с вероятностью 0,5; верхний порог — интенсивность, при которой возникают раз­личные болевые ощущения (щекотание, покалывание, головокружение и т.д.). Между ними расположена область восприятия речи (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Линии равной громкости.

Рис. 11.8. Дифференциальные пороги слухового анализатора:

а — по интенсивности (D 13); б — по частоте (D F).

Человек оценивает звуки, различные по интенсив­ности, как равные по громкости, если частоты их так­же различны. Например, тон с интенсивностью 120 дБ и частотой 10 Гц оценивается как равный по громкости тону, имеющему интенсивность 100 дБ и частоту 1000 Гц. Таким образом, снижение интенсивности как бы компенсируется увеличением частоты. Субъектив­ное ощущение интенсивности звука называется гром­костью и измеряется в фонах. Уровень громкости в фонах численно равен интенсивности звука в децибе­лах для чистого тона частотой 1000 Гц, воспринимае­мого как равногромкий с данным звуком.

Величина едва различимой прибавки к исходному звуковому раздражителю зависит не только от его интенсивности, но 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 (рис. 11.8, а).

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 равна примерно 2 — 3 Гц. Для звуков выше 2000 Гц эта величина резко возрастает и изменя­ется пропорционально росту частоты (рис. 11.8, б). От­носительная величина дифференциального порога для звуков в зоне 200— 16000 Гц является почти констант­ной и равна примерно 0,002. При сокращении интен­сивности звука ниже 30 дБ величина дифференциаль­ного порога резко возрастает.

Временной порог чувствительности акустического анализатора, т. е. длительность звукового раздражите­ля, необходимая для возникновения ощущения, так же как пороги по громкости и высоте, не является посто­янной величиной. С увеличением как интенсивности, так и частоты он сокращается. 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 интенсивного звука той же частоты до 10 дБ временной порог достигает 50 мс. Аналогичный эффект дает и уменьшение частоты.

Оценка громкости и высоты очень коротких зву­ков затруднена. При длительности синусоидального тона 2 — 3 мс человек лишь отмечает его наличие, но не может определить его качеств. Любой звук оценивается только как «щелчок». С увеличением длительности звука слуховое ощущение постепенно проясняется: человек начинает различать высоту и громкость. Минимальное время, необходимое для отчетливого ощу­щения высоты тона, равно примерно 50 мс.

Дифференцировка двух звуков по частоте и интен­сивности также зависит от отношения их по длитель­ности и от интервала между ними. Как правило, звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем не­равные.

Акустический анализатор обеспечивает также от­ражение и положения источника звука в простран­стве: его расстояние и направление относительно субъекта.

Пороги зависят от времени предъявления сигна­ла, положения головы испытуемого, адаптации и изме­няются с течением времени для одного и того же ис­пытуемого. Эти изменения могут составлять до 5 дБ за 0,5 мин, тогда как в некоторых условиях ярко выражен­ной тенденции к увеличению или уменьшению порога может и не быть даже в течение часа. Сравнение каж­додневных изменений порогов, полученных в течение некоторого периода времени, с усредненными данны­ми этих изменений показывает, что колебание измене­ний в 3 — 4 раза превышает усредненное. Иногда по­рог может изменяться даже в течение нескольких секунд. Если стимул состоит из пяти сигналов одного тона длительностью по 0,4 с, следующих друг за дру­гом с интервалом в 0,6 с, то все они будут восприняты только при интенсивности, на 6 дБ превышающей аб­солютный порог, когда не слышно ни одного из этих сигналов. Значительное влияние на величину порогов оказывает длительность сигнала. Так, для синусоидаль­ных сигналов средних и высоких частот в диапазоне длительностей от 10 до 100 — 200 мс удвоение длитель­ности приводит к понижению порога на 3 дБ.

Специфическим видом слухового восприятия яв­ляется восприятие речевых сообщений. Речь представ­ляет одно из наиболее эффективных исторически сло­жившихся средств передачи информации человеку. Вопрос о характеристиках речевых сигналов прежде всего возникает при разработке аппаратуры, предназ­наченной для передачи информации от человека к человеку. Однако этим его значение не ограничивается. В связи с развитием синтетической телефонии откры­ваются возможности использования речевых сигналов также при обмене информацией между человеком и машиной.

Проблема речи имеет кардинальное значение в психологии. Она выступает в той или иной форме при изучении сенсорных процессов, памяти, умственных действий, двигательных навыков, свойств личности и т. д. Данные, накопленные в экспериментальной пси­хологии, позволили раскрыть ряд существенных ас­пектов механизмов восприятия речи и речеобразования. Они послужили основой для постановки проблемы речевой коммуникации в плане инженер­ной психологии.

Задачи техники связи потребовали изучения зави­симости восприятия речевых сигналов от их акусти­ческих характеристик, определения разборчивости речи в условиях шума, поиска путей повышения раз­борчивости и т. п.

Форма волны является функцией, которая связы­вает мгновенное речевое давление со временем. Рече­вое давление есть сила, с которой речевая волна давит на единицу площади, обычно перпендикулярной к гу­бам говорящего и расположенной в произвольном, но определенном участке по отношению к говорящему, на расстоянии 1 м от него.

Речевой звук является сложным. Он включает ряд обертонов, находящихся в гармоничном отношении к основному тону (гармоник). Для повышения разборчи­вости речи увеличивают ее интенсивность.

Важным условием восприятия речи является раз­личение длительности произнесения отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произ­несения гласного равно примерно 0,35 с. Длительность согласных колеблется от 0,02 до 0,3 с. При восприятии потока речи особенно важно различение интервалов между словами или группами слов. Исключение пауз или их неверная расстановка может привести к иска­жению смысла воспринимаемой речи.

Речь обладает не только акустическими, но и неко­торыми другими специфическими характеристиками. Слово имеет определенный фонетический, фонематический, слоговой, морфологический состав, является определенной частью речи, несет определенную смыс­ловую нагрузку. Важным фактором, влияющим на опоз­нание слов, является их частотная характеристика. Чем чаще встречается слово, тем при более низком отно­шении речи к шуму оно опознается.

При восприятии отдельных слогов и слов суще­ственную роль играют их фонетические характерис­тики; при восприятии словосочетаний в действие всту­пают синтаксические зависимости, а фонетические отступают на второй план.

Слушатель улавливает синтаксическую связь меж­ду словами, которая помогает ему восстановить сооб­щение, разрушенное шумом. Если абстрагироваться от лексико-семантических характеристик словосочетаний и представить только модель связи, то оказывается, что слушатель легче всего улавливает согласование, затем управление и, наконец, примыкание. Интересно отме­тить, что стереотипные словосочетания, фразеологиз­мы опознаются згачительно хуже, чем можно было бы ожидать исходя из вероятностной модели восприятия. Слишком большое сужение сочетательных возможно­стей слова ограничивает возможность поиска. Увели­чение количества возможных ответов как бы расширя­ет «зону поиска» и тем самым повышает вероятность правильного опознания. Это лишний раз подтверждает положение о том, что аудирование есть активный про­цесс.

При переходе к фразам слушатель начинает ориен­тироваться уже не на отдельные элементы предложе­ния, а на весь его сложный грамматический каркас.

Изучалось также восприятие речевых сообщений, которые включали фразы, допускающие неоднознач­ную интерпретацию (вызывающие «семантический шум»). Было показано, что в этих условиях процесс восприятия замедляется, возникает необходимость повторного восприятия тех частей текста, которые предшествуют критической фразе. В ходе восприятия человек, преодолевая неоднозначность, осуществляет трансформацию фраз.

Приведенные данные показывают, что аудирова­ние представляет собой многоуровневый процесс, в котором сочетаются фонетический, синтаксический и семантический уровни. При этом вышележащие уров­ни играют ведущую роль, определяя ход всего процес­са аудирования, что необходимо иметь в виду при орга­низации речевых сообщений.

На качество восприятия и понимания речевых сообщений оператором оказывает влияние два основ­ных интегральных фактора: правильное построение аудиотекста и организация речевого сообщения.

Аудиотекстом называется текст, предназначенный для смыслового восприятия на слух. Звуковая речевая связь в деятельности оператора очень часто принима­ет именно такую форму логического и семантического объединения отдельных слов и предложений в смыс­ловые блоки — сверхфазовые единства (СФЕ). Пони­мание звучащего сообщения во многом обусловлено действием двух факторов: логико-смысловой структу­ры аудиотекста и его паралингвистической реализа­ции (скорости речи, распределения фраз, интонации).

Логико-смысловая структура аудиотекста опреде­ляется способом изложения мыслей. Наиболее опти­мальным считается дедуктивный способ их изложения (от общего к частному), при котором первое предложе­ние нацеливает аудитора на восприятие определенной темы, после чего следует ряд конкретных положений, доказывающих правильность посылок умозаключений. В психолингвистических исследованиях при анализе текстов исходят из следующих положений:

■ расчленение всего текста на смысловые блоки — СФЕ;

■ представление схемы всего текста в виде логической це­почки, являющейся каркасом, на который как бы нанизы­вается весь текст;

■ вычисление в выделенных СФЕ информации с помощью некоторых формализованных процедур.

Информационная ценность аудиотекста может быть усилена с помощью полного или частичного по­вторения, особенно ключевых слов в СФЕ. Это обеспе­чивает избыточность сообщения и его помехоустойчи­вость. Большое значение при организации аудиотекста имеет также выбор слов для компоновки текстов и выбор грамматических конструкций. Словарь текста должен быть максимально ограничен условиями дея­тельности: чем он меньше, тем выше помехоустойчи­вость аудиотекста. Все слова должны быть понятны и знакомы, частота их встречаемости должна быть высо­кой. Грамматические конструкции и связи между сло­вами должны быть четкими и простыми. Любое услож­нение ведет к ухудшению понимания и разборчивости. Определенное значение имеет длина предложений аудиотекста (не более 9—11 слов) и компоновка смыс­ловых блоков (не более 7). В противном случае проис­ходит перегрузка оперативной памяти.

Организация речевого сообщения предусматрива­ет построение его в форме, наиболее пригодной для восприятия оператором. Правильная организация ре­чевого сообщения позволяет обеспечить требуемые уровни разборчивости речи. Она оценивается процен­тным отношением числа правильно принятых слуша­телем элементов речевой передачи к числу передан­ных. Элементами речи считаются: форманты (области концентрации энергии в спектре данного звука), от­дельные звуки (фонемы), слоги, слова, словосочетания (фразы).

Разборчивость речи можно определить экспери­ментально с помощью артикуляционных таблиц и рас­четным методом, исходя из разборчивости формант и известных функциональных зависимостей. Нормы разборчивости речи приведены в табл. 11.5.

Таблица 11.5

Нормы разборчивости речи

Вид речи		Качество связи, %
срыв связи	минимально допустимое	удовлетво­рительное	хоро­шее	отлич­ное
Формантная
Звуковая
Слоговая
Словесная
Фразовая	—

Разборчивость речи является важнейшей характе­ристикой, определяющей качество ее восприятия. В ус­ловиях тишины основным фактором, влияющим на разборчивость, является интенсивность. Частота голоса не оказывает существенного влияния на разборчи­вость речи: высокий и низкий голос понимаются оди­наково хорошо. Оптимальный диапазон интенсивнос­ти речи составляет от 40 до 60 дБ. Основным фактором, влияющим на разборчивость

Рис. 11.9. Влияние уровня шума на разборчивость речи.

речи в условиях шума, является отношение мощности речи к мощности шума (рис. 11.9). Обычно речь бывает понятной, если интен­сивность речи превышает интенсивность шума на 6 дБ.

Большое значение на разборчивость оказывает правильный выбор слов. В условиях шума двухслож­ные слова опознаются на 30% лучше, чем однослож­ные, а трехсложные — на 50%. Слова с ударением на последнем слоге опознаются лучше, чем с ударением на первом. Важным фактором является также вероят­ностная характеристика слов: чем чаще оно встречает­ся, тем лучше опознается. Наибольшей помехоустой­чивостью к белому шуму обладают звуки Р, Л, М, Н, наихудшей — С, Ф, Ц, Т, Г. Распознаваемость слов повышается, если они начинаются с гласных. Опти­мальным считается темп речи от 60 до 80 слов в мину­ту, допустимым — до 120 слов в минуту.

Длина фразы не должна превышать 7±2 слов, что определяется объемом оперативной памяти. Наиболее значащие слова следует располагать в первой трети фразы. В разрешающих фразах, командах разрешение следует располагать в конце фразы, после содержания действия, в запрещающих — наоборот.

Повышению разборчивости речи способствует зрительный контроль (возможность видеть говорящего). Эффективным при интенсивности речи более 85 дБ является применение шумозаглушек. Однако при уров­не более 95 дБ применение шумозаглушек может ока­заться неэффективным. Большое значение имеет вы­полнение специальных требований к говорящему: достаточная интенсивность и оптимальный темп речи; большая продолжительность слогов; повышенная ва­риативность звуковых высот; преобладание (по време­ни) речевых звуков, а не пауз; повторение передачи должно иметь ту же структуру и те же слова, что в первоначальном случае.

С помощью речи формируется особый вид сигна­лов, называемых речевыми. Любой сигнал является носителем информации (см. главу И). Речевой сигнал и представляемая им информация используются в дея­тельности оператора, а следовательно являются объек­том изучения инженерной психологии в следующих случаях:

■ при организации общения между операторами (речевая коммуникация);

■ при организации взаимодействия между человеком и ЭВМ (речевой ввод и вывод информации);

■ при проведении контроля функционального состояния оператора: по анализу спектрально-временных характе­ристик речи можно судить о состоянии человека в про­цессе его работы;

■ при организации подсказки оператору о необходимых действиях.