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 2.视觉机能及其特征 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 6.运动系统的机能及其特征 7.人的运动输出

感知响应系统 感知响应过程 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） 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；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 放应器。见图3-2（a）。

反射弧

图3-2反射弧和信息链

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）。 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。

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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380～780nm，见图3-3。 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380～780nm，见图3-3。

3.2.2 视觉系统 视觉系统由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动组成。见图3-4 。 眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为21～25mm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

右视野 左视野 处理文字的能力较强 处理数字的能力较强 数字 文字 图3-4　人的视觉系统 返回

图3-5 眼睛结构示意图 返回

表B1 视网膜的视杆细胞和视锥细胞的不同性质 返回

3.2.3 视觉机能 1.视角与视力 视角：由瞳孔中心到观察对象两端所张开的角度。（如图3-5） α=2arctg(D/2L) α—视角； 在工业设计中，视角是确定设计可视对象尺寸大小的依据。

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：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）: 1.5º—3.0º——特优视区；（物象落在黄斑上） 10º以内——最优视区； 10º—20º——瞬息视区；（能在很短的时间内看清物体） 20º—30º——有效视区；（需集中注意力看） 其余：良好视区。

水平视线以上10º，以下10º—30º内为有效视区； 其余：良好视区。 垂直视野:（如图3-6） 水平视线上下1.5º 为特优视区； 水平视线以下10º为最优视区； 水平视线以上10º，以下10º—30º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38～76cm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

表3-2不同工作任务视距的推荐值 任务要求 举例 备注 最精细的工作 12～25 20～40 精细工作 安装收音机、电视机 25～35 视距离（眼至视觉对象）单位：cm 固定视野直径单位：cm 备注 最精细的工作 安装最小部件 （表、电子元件） 12～25 20～40 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 25～35 40～60 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 50～150 30～250 多为站着 远看 黑板、开汽车 150以上 250… 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10°～20°视野内可以辨别字。在标准视线左右各5°～30°视野内可以辨别字母，在标准视线右30°～60°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。 图3-6 人的水平视野 返回

中央视觉（明视觉）—视维细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。 3. 中央视觉和周围视觉 中央视觉（明视觉）—视维细胞（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。

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。 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) 7、眩光 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。 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。

8、对比感度 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。 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

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。

眼睛的色视野 图3-7 人的色视野 返回

图3-8 明适应与暗适应

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。 3.2.4 视觉特征 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。 视觉的运动规律

7.颜色的易辨认顺序：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

右上限 左上限 左下限 右下限 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

照明的基本概念 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φ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、绿光的辐射功率为1W时，人眼感觉量为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

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Iθ表示，单位为坎德拉（cd）。其计算公式为： Iθ=φθ/ωθ 式中：ωθ——球面所对应的立体角（sr:立体弧度） 　 φθ——在ω立体角内所辐射的光通量（lm） Iθ——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。定义式为： E=φ/S 式中：φ——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=Iθ/Scosθ 式中 Iθ----发光体在视线方向上的光强(cd)； Scosθ----发光体在视线方向上的投影面积m2； θ----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(教材)

3.3 听觉机能及其特征 3.3.1 听觉刺激 3.3.2 听觉系统 起主要作用的部位：内耳耳蜗 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：20～20000Hz。感受性最高的频率范围 :1000～4000Hz 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。

人耳的构造 图3-9 （a）人耳的基本结构 （b）耳蜗

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。 声学常识 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。

四、分贝、声压级 分贝：是声音音量的度量值，是指两个相同的物理（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2×10-5Pa，该值是对1000HZ的纯音，人耳刚能听到的最低声压。

声功率级： Lw =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。 　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。

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纯音的声压级（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。

返回 图3-10　听力损失曲线

听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强 / 正好能听见的声强 2. 动态范围（声音的强度） 听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强 / 正好能听见的声强　　　　　　　　　　　 （1）听阈：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的最低声强Imin。图3-11 a、在800-1500Hz频率范围内，听阈无明显变化； b、低于800Hz，可听声音的强度随着频率的降低而明显增大； c、在3000-4000Hz之间，听觉灵敏度最高； d、超过6000Hz时，灵敏度再次下降。

（2）痛阈：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Imax。 （1）与（2）都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。 （3）听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区,见图3-11。

标准灵敏度：f=1000Hz，I0=Imin=10-12 W/m2 图3-11听阈、痛阈与听觉区域 返回

（1）时差：∆t=声音到两耳的时间差。人耳可觉察到的声音信号入射的最小偏角为3°， ∆t=30us。 3.方向敏感度（双耳效应） （1）时差：∆t=声音到两耳的时间差。人耳可觉察到的声音信号入射的最小偏角为3°， ∆t=30us。 （2）由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变。 （3）人耳对不同频率、来自不同方向的声音的感受能力不同。见图3-12。

掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。 掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。 4.掩蔽效应 　掩蔽：一个声音被另一个声音所掩盖的现象。 　掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。

图3-12 听觉的方向敏感度

自学内容 9.2　人与热环境(教材)

3.4 其他感觉机能及其特征 3.4.1 肤觉 肤觉是仅仅次于听觉的一种感觉，可感受多种外 界刺激，形成多种感觉。 1. 触觉 触觉也称压觉或触压觉，是皮肤表面承受物体压力 或触及物体时，所产生的一种感觉。　 (1)触觉的敏感性：图3-13 (2)触觉的定位能力：图3-14 (3)两点阈限

2. 温度觉 高温作业：高于25度 3. 痛觉 GB4200-1997 —《高温作业分级》 低温作业：低于5度；冷水作业：水温低于12度 GB/T14439-93——《冷水作业分级》 GB/T14440-93——《低温作业分级》 3. 痛觉

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冷水作业分级 返回

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本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感受身体和四肢所在位置的信息。 3.4.2 本体感觉 本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感受身体和四肢所在位置的信息。 1.平衡觉：人对自己头部位置的各种变化及身体平衡状态的感觉。 影响平衡觉的因素：酒、年龄、恐惧、突然的运动、热紧迫、不常有的姿势等。

2. 运动觉：人对自己身体各部位的位置及其运动状态的一种感觉。运动觉涉及人体的每一个动作，是仅次于视、听觉的感觉。人的各种操作技能的形成更有赖于运动觉信息的反馈调节。

图3-13 男性身体各部分的触觉敏感性 返回

图3-14 男性身体各部位刺激点定位的能力 返回