人体感知与运动特征1

1、主要内容主要内容 1.1.人在系统中的功能人在系统中的功能 3 3. .听觉机能及其特征听觉机能及其特征 4 4. .其他感觉机能及其特征其他感觉机能及其特征 5 5. .人的信息处理系统人的信息处理系统 2 2. .视觉机能及其特征视觉机能及其特征 6 6. .运动系统的机能及其特征运动系统的机能及其特征 7 7. .人的运动输出人的运动输出3 3.1 .1 人在系统中的功能人在系统中的功能 把操作者作为把操作者作为人机系统中的一个人机系统中的一个“环节环节”来来研究，人与外界发生联系的主要是三个子系统，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、运动系统即感觉系统、神经

2、系统、运动系统见图见图3-13-1。感知响应系统感知响应系统感知响应过程感知响应过程 图图3-1 3-1 人机系统示意图人机系统示意图3.1.2 3.1.2 人的感知与反应机能（感知响应）人的感知与反应机能（感知响应） 反射是神经系统调节肌体活动的一种基本形成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；反射弧具有五个基反射活动的全部结构组成反射弧；反射弧具有五个基本环节，即感受器本环节，即感受器 传入神经元传入神经元 中间神经元中间神经元 传出神经元传出神经元 放应器。见放应器。见图图3-2（a）。）。反反射射弧弧图图3-23-2反射弧和信息链反射弧和信息链 人

3、机系统的信息在人的神经系统中的循环过程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。形成信息链。见图见图3-23-2（b b）。）。 人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道（人机系统中的最常用的感觉通道是视觉通道（80%80%）、）、听觉通道（听觉通道（14%14%）和触觉和其他通道（）和触觉和其他通道（6%6%）。其适用场合）。其适用场合参阅参阅表表3-13-1。返回返回3.2 3.2 视觉机能及其特征视觉机能及其特征 视觉的适宜刺激是光。人的两眼可以感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，受到的光波只占整个电磁光谱的一小部分，其波长为其波长为3803

4、80780nm780nm，见图见图3-33-3。 视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动组成。组成。见图见图3-4 3-4 。 眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为21212525mmmm的球体，其基本构造与照相机类似，见的球体，其基本构造与照相机类似，见图图3-5 3-5 。 视网膜最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它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。们是接受信息的主要细胞。如表如表B1B1。图图3-3 3-3 全部电磁波中的光谱可见全部电磁波中的光谱可见返回返回图图3-43-4人的

5、视觉系统人的视觉系统右视野右视野左视野左视野处理文字的能力较强处理文字的能力较强处理数字的能力较强处理数字的能力较强数字数字文字文字返回返回图图3-5 3-5 眼睛结构示意图眼睛结构示意图返回返回表B1 视网膜的视杆细胞和视锥细胞的不同性质视网膜的视杆细胞和视锥细胞的不同性质返回返回3.2.3 3.2.3 视觉机能视觉机能 视角：视角：由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度。（如图（如图3-53-5） =2arctg(D/2L)=2arctg(D/2L) 视角；视角； DD被看物体上两端点的直线距离；被看物体上两端点的直线距离； LL眼睛到被看物体的距离。眼睛

6、到被看物体的距离。 在工业设计中，视角是在工业设计中，视角是确定设计可视对象尺寸大确定设计可视对象尺寸大小的依据。小的依据。 临界视角：临界视角：眼睛能分辨被看物体最近两点的视角。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按标准规定，人站在离视力检查表5m5m远处观看表中第十行远处观看表中第十行“E”E”字，字，若能分辨清楚，视力为若能分辨清楚，视力为1.01.0即视力正常，此时的临界视角即视力正常，此时的临界视角=1=1 。）。）视力：视力：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，以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。临界视角的倒数来表示。

7、 视力视力=1/=1/能够分辨的最小物体的视角能够分辨的最小物体的视角视野视野：眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围：眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围, ,常常以角度来表示。以角度来表示。( (静视野、注视视野、动视野静视野、注视视野、动视野 ) ) 动视野动视野: :见图见图3-63-6。 水平视野水平视野（单视野（单视野/ /双视野）双视野）: : 1.53.0 1.53.0特优视区；（物象落在黄斑上）特优视区；（物象落在黄斑上） 10 10以内以内最优视区；最优视区； 1020 1020瞬息视区；（能在很短的时间内看清瞬息视区；（能在很短的时间内看清物体）物体） 2030 2

8、030有效视区；（需集中注意力看）有效视区；（需集中注意力看） 其余其余：良好视区。：良好视区。垂直视野垂直视野:（如图（如图3-6） 水平视线上下水平视线上下1.5 为特优视区；为特优视区； 水平视线以下水平视线以下10为最优视区；为最优视区； 水平视线以上水平视线以上10，以下，以下1030内为有效视区；内为有效视区；其余其余：良好视区。：良好视区。视距视距：指人在操作系统中正常的观察距离，：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几种工作视距推荐值参阅表表3-2。舒适视线舒适视线：直立：水平视线以下直立：水平视线以下1515度度；放松立：水平视线以下放松立：水平视线以下30

9、30度；度；放松坐：水平视线以下放松坐：水平视线以下4040度。度。一般应根据观察目一般应根据观察目标的大小和形状以标的大小和形状以及工作要求确定视及工作要求确定视距，普通操作的视距，普通操作的视距范围在距范围在3876cm之间，在之间，在56cm处最处最为适宜。为适宜。在垂直面内，标准视线为水在垂直面内，标准视线为水平视线，最大固定视野为平视线，最大固定视野为115115，标准视线上方，标准视线上方5050，下方下方7070，扩大的视野为，扩大的视野为150150，站立时的自然视线低，站立时的自然视线低于水平线于水平线1010，坐着时自然，坐着时自然视线代于水平视线视线代于水平视线1515；

10、人；人在很低松驰的状态中，站着在很低松驰的状态中，站着和坐着时的自然视线偏离标和坐着时的自然视线偏离标准视线分别是准视线分别是3030和和3838。因此，人在轻松的时刻观看因此，人在轻松的时刻观看展览时，展示物的位置在低展览时，展示物的位置在低于标准视线于标准视线3030的区域里。的区域里。图图3-6 3-6 人的垂直视野人的垂直视野返回返回返回返回任务要求举例视距离（眼至视觉对象）单位：cmcm固定视野直径单位：cmcm备注最精细的工作安装最小部件安装最小部件（表、电子元件（表、电子元件）12252040完全坐着，部分地依靠视觉辅助手段（小型放大镜、显微镜）精细工作安装收音机、电视机2535

11、4060坐着或站着中等粗活在印刷机、钻井机床旁工作50以下至80坐或站粗活包装、粗磨5015030250多为站着远看黑板、开汽车150以上250坐或站 图图3-6 3-6 人的水平视野人的水平视野返回返回在水平面内最大在水平面内最大固 定 双 眼 视 野 为固 定 双 眼 视 野 为180180，扩大的视野，扩大的视野为为190190，在标准视，在标准视线 左 右 各线 左 右 各 1 01 0 2020视野内可以辨视野内可以辨别字。在标准视线别字。在标准视线左右各左右各5 53030视视野内可以辨别字母，野内可以辨别字母，在 标 准 视 线 右在 标 准 视 线 右30306060范围是范围

12、是颜色视野，人最敏颜色视野，人最敏锐的视力是在标准锐的视力是在标准视线两侧各视线两侧各1010的的视野内。视野内。 中央视觉（明视觉）中央视觉（明视觉）视维细胞（感色能力强、视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。能清晰分辨物体）。 周围视觉（暗视觉）周围视觉（暗视觉）视杆细胞（观察空间范围视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。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、船驾驶员生

13、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时，必须检查其正常视野范围。如果各方面的视野都缩小1010以内者称为工业盲。以内者称为工业盲。 双眼视物双眼视物：视野范围较大；具有分辨物体深浅、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。远近等相对位置的能力；能形成立体视觉。 色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围。色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围。( (见图见图3-73-7) ) 人眼随视觉环境中光亮度的变化而感受性发生变化人眼随视觉环境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。的过程，有

14、暗适应和明适应两种。 见见图图3-8 根据视觉的明暗适应特征，要求在设计工作面照明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，而且会引起错误繁明暗调节，不仅会增加眼睛的疲劳，而且会引起错误操作。操作。 物体表面产生的刺眼和耀眼的强烈光线，称为眩光。物体表面产生的刺眼和耀眼的强烈光线，称为眩光。 v 目标与背景有一定的对比度时，目标与背景有一定的对比度时，人眼才能看清其形状。这种对人眼才能看清其形状。这种对比可以用颜色（背景与物体具比可以用颜色（背景与物体具有不同的颜

15、色），也可以用亮有不同的颜色），也可以用亮度（背景与物体在亮度上有一度（背景与物体在亮度上有一定的差别）。定的差别）。v 人眼刚刚能看辨别到物体时，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度；临界对比的倒数称为对比感度。感度。boppppLLLLLCpcCS1式中式中：CP 临界对比度 Lp临界亮度差 Lp背景亮度 Lo 物体的亮度 SC对比感度v对比感度与照度、物体尺寸、视距、和眼的适对比感度与照度、物体尺寸、视距、和眼的适应

16、情况等因素有关。在理想情况下，视力好的人，应情况等因素有关。在理想情况下，视力好的人，其临界对比度约为其临界对比度约为0.010.01，也就是其对比感度达到，也就是其对比感度达到100100。图图3-7 3-7 人的色视野人的色视野眼睛的色视野眼睛的色视野返回返回图图3-8 3-8 明适应与暗适应明适应与暗适应v1. 1. 疲劳程度：水平优于垂直。疲劳程度：水平优于垂直。v2. 2. 视线变化习惯：左视线变化习惯：左右，上右，上下，顺时针。下，顺时针。v3. 3. 准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。v4. 4. 观察情况的优先性观察情况的优先性：左上：左上

17、右上右上左下左下右下视区右下视区, ,仪表的布置必须考虑这一点。仪表的布置必须考虑这一点。v5. 5. 设计依据：以双眼视野为设计依据。设计依据：以双眼视野为设计依据。v6 .6 .接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。3.2.4 3.2.4 视觉特征视觉特征v7.7.颜色的易辨认顺序：颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白红、绿、黄、白；v 颜色相配时的易辨认顺序：颜色相配时的易辨认顺序：黄底黑字、黑底白黄底黑字、黑底白字、蓝底白字、白底黑字、白底红字字、蓝底白字、白底黑字、白底红字。v8 8、物体的颜色在有色光源的照射下会产生变化，、物体的颜色在有色光源的照射下会产生变

18、化，显现的颜色与物体本色，照射光线的颜色之间的关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。系有一定规律性。如表如表B2B2。v9 9、眼睛在直视方向的最小分辨角和分辨颜色的情、眼睛在直视方向的最小分辨角和分辨颜色的情况。况。如表如表B3B3。v1010、视觉损伤、视觉损伤 v1111、视觉疲劳、视觉疲劳右上限右上限左上限左上限左下限左下限右下限右下限返回返回表表B2 B2 显现的颜色与物体本色、照射光的颜色之间的关系显现的颜色与物体本色、照射光的颜色之间的关系 返回返回返回返回1 1、光通量、光通量 光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉光源在单位时间内向周围空间辐射并引起

19、视觉的能量，称为光通量，用符号的能量，称为光通量，用符号表示，单位为流表示，单位为流明（明（lmlm）。）。光通量是光源的一个重要参数，是照光通量是光源的一个重要参数，是照明设计的必备数据。明设计的必备数据。 当波长为当波长为555555nmnm的黄、绿光的辐射功率为的黄、绿光的辐射功率为1 1W W时，时，人眼感觉量为人眼感觉量为680680lmlm，所以所以1 1lmlm就相当于波长为就相当于波长为555555nmnm的单色光辐射功率为（的单色光辐射功率为（1/6801/680）W W时的光通量。时的光通量。 1 1光瓦光瓦=680=680lmlm照明的基本概念照明的基本概念 2 2、发光

20、强度、发光强度 光源在空间某一特定方向上单位立体角内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（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），用符号在该方向上的发光强度（简称光强），用符号I I表示，单位为坎德拉（表示，单位为坎德拉（cdcd）。）。其计算公式为：其计算公式为： I I= =/式中：式中：球面所对应的立体角（球面所对应的立体角（srsr: :立体弧度）立体弧度） 在在立体角内所辐射的光通量（立体角内所辐射的光通量（lmlm） I I表示光通量在空间各个方向上的分布情表示光通量在空间各个方向上的分布情况。况。 3 3

21、、照度、照度 照度是用来表示被照面（点）上光的强弱。投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，用符号面的照度，用符号E E表示。定义式为：表示。定义式为： E=/SE=/S 式中：式中：被照面上接受的光通量被照面上接受的光通量( (lm)lm) S S被照面的面积被照面的面积( (m m2 2) )，与光线垂直。，与光线垂直。 照度的单位为勒克斯照度的单位为勒克斯( (lx), lx), 表示表示1 1流明的光通量流明的光通量均匀分布在均匀分布在1 1平方米的被照面上，即：平方米的被照面上，即：

22、1( 1(lx)=1(lm)/mlx)=1(lm)/m2 2 4 4、亮度、亮度 发光体在视线方向单位投影面上的发光强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，用符号称为该物体表面的亮度，用符号L L来表示，表达来表示，表达式为：式为： L= L=I I/Scos/Scos 式中式中 I I-发光体在视线方向上的光强发光体在视线方向上的光强( (cdcd) )； ScosScos-发光体在视线方向上的投影面发光体在视线方向上的投影面积积m2m2； - -视线方向与发光面法线（垂线）的视线方向与发光面法线（垂线）的夹角。夹角。 L L的单位为坎德拉每平方米（的单位为坎德拉每平

23、方米（cd/m2cd/m2） 自学内容自学内容9.3 人与光环境人与光环境(教材教材) 听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，人的听感范围：人的听感范围：20202000020000HzHz。感受性最高的频率范感受性最高的频率范围围 : :1000100040004000HzHz 起主要作用的部位：内耳耳蜗起主要作用的部位：内耳耳蜗 起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分，见见图图3-9。3.3 3.3 听觉机能及其特征听觉机能及其特征图图3-9 3-9 （a a）人耳的基本结构人耳的基本

24、结构 （b b）耳蜗耳蜗 声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方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。单位为指声源总声功率。单位为W W。 声强是指单位时间内，声波通过垂直于传播方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。单位为向单位面积的声能量。单位为 W/mW/m2 2。 声压是由于声波的存在而引起的压力增值。单位声压是由于声波的存在而引起的压力增值。单位为为PaPa。 四、分贝、声压级四、分贝、声压级 分贝分贝：是声音音量的度量值，是指两个相同的物是声音音量的

25、度量值，是指两个相同的物理（例理（例A A和和A0A0）之比取以之比取以1010为底的对数并乘以为底的对数并乘以1010（或（或2020）。）。 N = 10lg(A/A0) N = 10lg(A/A0)或或 N = 20lg(A/A0)N = 20lg(A/A0) 分贝符号为分贝符号为“dB”dB”，它是无量纲的。它是无量纲的。式中：式中：A0A0是基准量（或参考量），是基准量（或参考量），A A是实测度量。是实测度量。 声压级声压级：LP = 20lg(P/P0)式中：式中： LP 声压级（声压级（dB）；）； P 实测声压（实测声压（Pa）；）； P0基准声压，为基准声压，为210-5P

26、a，该值是该值是对对1000HZ的纯音，人耳刚能听到的最低声压。的纯音，人耳刚能听到的最低声压。 声强级声强级： L LI I = 10lg(I/I = 10lg(I/I0 0) )式中：式中：L LI I 声压级声压级( (dB)dB)； I I 实测声强（实测声强（W/mW/m2 2）；）； I I0 0基准声强，为基准声强，为1010-12-12 W/mW/m2 2。声功率级：声功率级： L Lw w =10lg(W/W=10lg(W/W0 0) ) 式中：式中： L Lw w声功率级（声功率级（dBdB）；）； W W 实测声功率（实测声功率（W W）；）； W W0 0 基准声功率，

27、为基准声功率，为1010-12 -12 W W。五、响度和响度级五、响度和响度级响度（响度（N N）：）： 响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，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它不仅取决于声音的强度( (如声压级如声压级) )，还与它的频，还与它的频率及波形有关。响度的单位为率及波形有关。响度的单位为“宋宋”,1”,1宋的定义为宋的定义为声压级为声压级为4040dB,dB,频率为频率为10001000Hz,Hz,且来自听者正前方的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平面波形的强度。如果另一个声音听起来比1 1宋的宋的声音大声音大n n倍

28、，即该声音的响度为倍，即该声音的响度为n n宋。宋。响度级响度级( (L LN N) )：v响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，选择选择10001000HzHz的纯音作基准音，若某一声音听起的纯音作基准音，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纯音的声压级（上就等于这个纯音的声压级（dBdB）。）。响度级用响度级用L LN N表示，单位是表示，单位是“方方”。如果某声音听起来与声。如果某声音听起来与声压级为压级为8080dBdB，频率为频率为10001000HzHz的纯音一样响，则的

29、纯音一样响，则该声音的响度级就是该声音的响度级就是8080方。方。v 不同声音的响度级可从不同声音的响度级可从ISOISO等响曲线等响曲线上查出来。上查出来。 返回返回3.3.3 3.3.3 听觉的物理特性听觉的物理特性v（声音：音调、强度、音色）（声音：音调、强度、音色）v人耳能听闻的频率比为人耳能听闻的频率比为f fminmin/ /fmaxfmax=1=1：10001000；v频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降，见图见图3-103-10；v 听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是听觉的频率响应特性对听觉传示装置的设计是很重要的。很重要

30、的。图图3-103-10听力损失曲线听力损失曲线返回返回v 听觉声强的动态范围听觉声强的动态范围= =正好可忍受的声强正好可忍受的声强 / / 正正好能听见的声强好能听见的声强v（1 1）听阈）听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力：在最佳的听闻频率范围内，一个听力正常的人刚刚能听到给定各种频率的正弦式纯音正常的人刚刚能听到给定各种频率的正弦式纯音的最低声强的最低声强I Iminmin。图图3-113-11 a a、在在800-1500800-1500HzHz频率范围内，听阈无明显变化；频率范围内，听阈无明显变化； b b、低于低于800800HzHz，可听声音的强度随着频率的降低可听声音的强

31、度随着频率的降低而明显增大；而明显增大； c c、在在3000-40003000-4000HzHz之间，听觉灵敏度最高；之间，听觉灵敏度最高； d d、超过超过60006000HzHz时，灵敏度再次下降。时，灵敏度再次下降。v（2 2）痛阈痛阈：对于感受给定各种频率的正弦式纯音，：对于感受给定各种频率的正弦式纯音，开始产生疼痛感的极限声强开始产生疼痛感的极限声强I Imaxmax。 （1 1）与（与（2 2）都与频率有关系，是在某一频率下的）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。听阈值或痛阈值。v（3 3）听觉范围）听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区区, ,见图见图3-113-11。标准灵敏度：标准灵敏度：f=1000Hzf=1000Hz，I I0 0= =I Iminmin=10=10-12-12 W/m W/m2 2图图3-113-11听阈、痛阈与听觉区域听阈、痛阈与听觉区域返回返回 （1 1）时差时差：t=t=声音到两