返回人机工程学ergonomics 第三章人体感知与运动特征

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1、第3章 人体感知与运动特征,主要内容,1.人在系统中的功能,3.听觉机能及其特征,4.其他感觉机能及其特征,5.人的信息处理系统,2.视觉机能及其特征,6.运动系统的机能及其特征,7.人的运动输出,3.1 人在系统中的功能,3.1.1 人是系统中的重要“环节” 把操作者作为人机系统中的一个“环节”来研究，人与外界发生联系的主要是三个子系统，即感觉系统、神经系统、运动系统见图3-1。,感知响应系统 感知响应过程,图3-1 人机系统示意图,3.1.2 人的感知与反应机能（感知响应 反射）,1. 反射弧（反射的生理结构基础） 反射是神经系统调节肌体活动的一种基本形成. 反射活动的全部结构组成反射弧；

2、反射弧具有五个基 本环节，即感受器 传入神经元 中间神经元 传出神经元 反应器。见图3-2（a）。,图3-2反射弧和信息链,返回1,返回2,2. 信息链 人机系统的信息在人的神经系统中的循环过程形成信息链。见图3-2（b）。,3.1.3 感觉通道与适用的信息,人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道（80%）、听觉通道（14%）和触觉和其他通道（6%）。其适用场合参阅表3-1。,返回,3.2 视觉机能及其特征,3.2.1 视觉刺激 视觉的适宜刺激是光。人的两眼可以感受到的光波只占整个电磁光谱的一小部分，其波长为380760nm，见图3-3。,3.2.2 视觉系统,视觉系统:由眼睛、视神经和视觉中

3、枢的共同活动组成。见图3-4 。 眼睛的结构：视觉感受器官，是直径为2125mm的球体，其基本构造与照相机类似，见图3-5 。 视网膜：最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它们是接受信息的主要细胞。如表B1。,图3-3 全部电磁波中的光谱可见,返回,图3-4 人的视觉系统,返回,图3-5 眼睛结构示意图,返回1,返回2,表B1,视网膜的视杆细胞和视锥细胞的生理机能,返回,3.2.3 视觉机能,1.视角与视力(视敏度） 视角：由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度。（如图3-5） =2arctg(D/2L) 视角； D被看物体上两端点的直线距离； L眼睛到被看物体的距离。,在工业设计中，视角是确定视

4、觉对象尺寸大小的依据。,认识视野内的发光或反光物体的轮廓、形状、大小、远近、颜色 和其他细节。,临界视角：眼睛能分辨被看物体最近两点的视角。 （按标准规定，人站在离视力检查表5m远处观看表中第十行“E”字，若能分辨清楚，视力为1.0即视力正常，此时的临界视角=1。） 视力（视敏度）：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，以临界视角的倒数来表示。 视力=1/能够分辨的最小物体的视角,2. 视野与视距,视野：眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围,常以角度来表示。(静视野、注视视野、动视野 ) 动视野:见图3-6。 水平视野（单视野/双视野）: 1.53.0特优视区；（物象落在黄斑上） 10以

5、内最优视区； 1020瞬息视区；（能在很短的时间内看清物体） 2030有效视区；（需集中注意力看） 其余：良好视区。,垂直视野:（如图3-6） 水平视线上下1.5 为特优视区； 水平视线以下10为最优视区； 水平视线以上10，以下1030内为有效视区； 其余：良好视区。 视距：指人在操作系统中正常的观察距离，几种工作视距推荐值参阅表3-2。,舒适视线： 直立：水平视线以下15度； 放松立：水平视线以下30度； 放松坐：水平视线以下40度。,一般应根据观察目标的大小和形状以及工作要求确定视距，普通操作的视距范围在3876cm之间，在56cm处最为适宜。,在垂直面内，标准视线为水平视线，最大固定视

6、野为115，标准视线上方50，下方70，扩大的视野为150，站立时的自然视线低于水平线10，坐着时自然视线代于水平视线15；人在很低松驰的状态中，站着和坐着时的自然视线偏离标准视线分别是30和38。因此，人在轻松的时刻观看展览时，展示物的位置在低于标准视线30的区域里。,图3-6 人的垂直视野,返回,返回,表3-2不同工作任务视距的推荐值,图3-6 人的水平视野,返回,在水平面内最大固定双眼视野为180，扩大的视野为190，在标准视线左右各1020视野内可以辨别字。在标准视线左右各530视野内可以辨别字母，在标准视线右3060范围是颜色视野，人最敏锐的视力是在标准视线两侧各10的视野内。,3.

7、 中央视觉和周围视觉 中央视觉（明视觉）视锥细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。 周围视觉（暗视觉）视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。,操作者在进行作业时，除要注视操作对象外，还要求看到周围情况。如果视野很小或缺损，将会对工作效率产生影响，甚至造成工作事故。因而，在选择车、船驾驶员时，必须检查其正常视野范围。如果各方面的视野都缩小10以内者称为工业盲。,4. 双眼视觉和立体视觉 双眼视物：视野范围较大；具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力；能形成立体视觉。 5. 色觉和色视野 色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围。(见图3-7),6. 暗适应和明适应(视觉的适应) 人眼随视觉环境

8、中光亮度的变化而感受性发生变化的过程，有暗适应和明适应两种。 见图3-8 根据视觉的明暗适应特征，要求在设计工作面照明时，需使其亮度均匀而且不产生阴影，否则，眼睛的频繁明暗调节，不仅会增加眼睛的疲劳，而且会引起错误操作。 7、眩光 物体表面产生的刺眼和耀眼的强烈光线，称为眩光。,目标与背景有一定的对比度时，人眼才能看清其形状。这种对比可以用颜色（背景与物体具有不同的颜色），也可以用亮度（背景与物体在亮度上有一定的差别）。 人眼刚刚能看辨别到物体时，背景与物体之间的最小亮度差称为临界亮度差。临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比度；临界对比的倒数称为对比感度。,8、对比感度,式中：CP 临界对比度

9、 Lb临界亮度差 Lb背景亮度 Lo 物体的亮度 SC对比感度,对比感度与照度、物体尺寸、视距、和眼的适应情况等因素有关。在理想情况下，视力好的人，其临界对比度约为0.01，也就是其对比感度达到100。,图3-7 人的色视野,眼睛的色视野,返回,图3-8 明适应与暗适应,返回,1. 疲劳程度：水平优于垂直。 2. 视线变化习惯：左右，上下，顺时针。 3. 准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。 4. 观察情况的优先性：左上右上左下右下视区,仪表的布置必须考虑这一点。 5. 设计依据：以双眼视野为设计依据。 6 .接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。,3.2.4 视觉特征,视觉的运动规律,7.颜色的易

10、辨认顺序：红、绿、黄、白； 颜色相配时的易辨认顺序：黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字、白底红字。 8、物体的颜色在有色光源的照射下会产生变化，显现的颜色与物体本色，照射光线的颜色之间的关系有一定规律性。如表B2。 9、眼睛在直视方向的最小分辨角和分辨颜色的情况。如表B3。 10、视觉损伤 11、视觉疲劳,返回,表B2 显现的颜色与物体本色、照射光的颜色之间的关系,返回,表B3 最小可辩角度和分辨颜色的情况,返回,1、光通量 光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量，称为光通量，用符号表示，单位为流明（lm）。光通量是光源的一个重要参数，是照明设计的必备数据。 当波长为555nm的黄

11、、绿光的辐射功率为1W时，人眼感觉到的光通量为680lm，所以1lm就相当于波长为555nm的单色光辐射功率为（1/680）W时的光通量。 1光瓦=680lm,照明的基本概念,2、发光强度 光源在空间某一特定方向上单位立体角内（每球面度）辐射的光通量空间刻度，称为光源在该方向上的发光强度（简称光强），用符号I表示，单位为坎德拉（cd）。其计算公式为： I=/ 式中：球面所对应的立体角（sr:立体弧度） 在立体角内所辐射的光通量（lm） I表示光通量在空间各个方向上的分布情况。,3、照度,照度是用来表示被照面（点）上光的强弱。投射到被照面上的光通量与被照面的面积之比称为该面的照度，用符号E表示。

12、定义式为： E=/S 式中：被照面上接受的光通量(lm) S被照面的面积(m2)，与光线垂直。 照度的单位为勒克斯(lx), 表示1流明的光通量 均匀分布在1平方米的被照面上，即： 1(lx)=1(lm)/m2,4、亮度 发光体在视线方向单位投影面上的发光强度称为该物体表面的亮度，用符号L来表示，表达式为： L=I/Scos 式中 I-发光体在视线方向上的光强(cd)； Scos-发光体在视线方向上的投影面积m2； -视线方向与发光面法线（垂线）的夹角。 L的单位为坎德拉每平方米（cd/m2）,自学内容,9.3 人与光环境,3.3.1 听觉刺激 听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，人

13、的听感频率范围：20(16)20000Hz。感受性最高的频率范围 :10004000Hz 3.3.2 听觉系统 起主要作用的部位：内耳耳蜗 起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，见图3-9。,3.3 听觉机能及其特征,图3-9 （a）人耳的基本结构 （b）耳蜗,人耳的构造,一 、声功率（W） 声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总声功率。单位为W。 二、声强（I） 声强是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向单位面积的声能量。单位为 W/m2。 三、声压（P） 声压是由于声波的存在而引起的压力增值。单位为Pa。,声学概念,四、分贝、

14、声压级 分贝：是声音音量的度量值，是指两个相同的物理量（例A和A0）之比取以10为底的对数并乘以10（或20）。 N = 10lg(A/A0)或 N = 20lg(A/A0) 分贝符号为“dB”，它是无量纲的。 式中：A0是基准量（或参考量），A是实测度量。 声压级：LP = 20lg(P/P0) 式中： LP 声压级（dB）； P 实测声压（Pa）； P0 基准声压，为210-5Pa，该值是对1000HZ的纯音，人耳刚能听到的最低声压。,声强级： LI = 10lg(I/I0) 式中：LI 声压级(dB)； I 实测声强（W/m2）； I0基准声强，为10-12 W/m2。,声功率级： Lw

15、 =10lg(W/W0) 式中： Lw声功率级（dB）； W 实测声功率（W）； W0 基准声功率，为10-12 W。,五、响度和响度级,响度（N）： 响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，它不仅取决于声音的强度(如声压级)，还与它的频率及波形有关。响度的单位为“宋”,1宋的定义为声压级为40dB,频率为1000Hz,且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比1宋的声音大n倍，即该声音的响度为n宋。,响度级(LN)： 响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，选择1000Hz的纯音作基准音，若某一声音听起来与该纯音一样响，则该声音的响度级在数值上就等于这个基准音的声压级（dB）。响度级用LN表示，单位是“方”。如果某声音听起来与声压级为80dB，频率为1000Hz的纯音一样响，则该声音的响度级就是80方。 不同声音的响度级可从ISO等响曲线上查出来。,等响曲线,返回,响度与响度级的关系,3.3.3 听觉的物理特性,（声音：音调、强度、音色） 1 .频率响应（感受性） 人耳能听闻的频率比为fmin/fmax=1：1000； 频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，见图3-10； 听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。,图3-10 听力损失曲线,返回,2. 动态范围（声音的强度）