Для наших анализаторов характерна чрезвычайно высокая чувствительность к адекватным раздражителям. Эта чувствительность близка к теоретическому пределу, и по существу такой уровень чувствительности в технике во многих случаях пока еще не достижим. Если бы чувствительность наших органов чувств оказалась на порядок выше, то это бы только затруднило нашу жизнь. В этом случае мы бы в буквальном смысле слышали, как растут деревья, как бежит кровь по сосудам, броуновское движение молекул и т.п.
Количественной мерой чувствительности является пороговая интенсивность энергетического воздействия, т.е. та наименьшая интенсивность раздражителя, действие которого дает ощущение. Чем ниже пороговая интенсивность или просто “порог”, тем выше чувствительность, и наоборот.
Рассмотрим в качестве примеров, какова же чувствительность некоторых наших анализаторов.
Световая чувствительность наших глаз связана с чувствительностью рецепторных элементов сетчатки и приближается к теоретически возможному максимуму. Для возникновения зрительного ощущения достаточно, чтобы палочкой был поглощен 1-2 кванта света, а для колбочек необходимо 5-10 квантов.
Приведем некоторые количественные характеристики органа зрения.
Порог световой чувствительности характеризуется минимальной интенсивностью светового воздействия, вызывающий ощущение света. Порог световой чувствительности изменяется в очень широких пределах в процессе адаптации зрительного анализатора к внешнему световому воздействию.
Абсолютный порог световой чувствительности зрительного анализатора характеризует наиболее высокую чувствительность, достигаемую в ходе темновой адаптации в течение нескольких часов (до 3-4 часов). При одном и том же световом потоке пороговая яркость зависит от площади объекта:
Площадь объекта, мм2 4 = 2х2, 100 = 10х10, 14400 = 120х120
Порог чувствительности,
х 10 - 7 лк 2829 241 5
Наиболее низкая световая чувствительность, достигаемая в процессе световой адаптации, соответствует предельно допустимой яркости источника, вызывающей эффект ослепления, т.е. нарушающей функционирование зрительного анализатора. Абсолютно слепящая яркость – 225000 кд/м2. Эффект ослепления может наступать и при меньших яркостях, если яркость объекта значительно превышает яркость к которой адаптирован глаз. Полный диапазон световой чувствительности 3х10-8 – 2,25х105 кд/м2 (обычное дневное освещение примерно равно 9,56 кд/м2).
Дифференциальный порог световой чувствительности (иногда называют порогом контрастной чувствительности) – минимальное воспринимаемое различие между двумя яркостями, разделенными в пространстве или во времени. Для практических целей используется только относительный порог (порог контрастной чувствительности).
K = (D B/B) х 100 %
При прямом контрасте (темный объект на светлом фоне) расчетная формула имеет вид:
Kпр = [(Bф – Bоб) / Вф] х 100 %
где: Вф - яркость фона
В0б - яркость объекта
При обратном контрасте (светлый объект на темном фоне).
Kобр = [(Bоб – Bф) / Воб] х 100 %
Дифференциальный порог зависит от угловых размеров объекта, яркость поля адаптации (фона), четкости границ между объектом и фоном (при одновременном восприятии). Значения дифференциальных порогов при четкой границе между сравниваемыми яркостями и одновременном восприятии приведем в следующей таблице.
Яркость, кд/м2
Контрастная чувствительность, %
при угловых размерах
40 /
4 0
4,9
1,5
Воздействия посторонних источников света, попадающих в поле зрения, вызывают повышение порога, что эквивалентно снижению контраста.
Рассмотренные выше абсолютный и дифференциальный пороги световой чувствительности характеризуют работу палочкового зрения, обеспечивающего восприятие ахроматического света.
Однако чувствительность зрительного анализатора к световым лучам с разной длиной волны (разной цветности) неодинакова. В условиях обычного дневного освещения (В = 9,56 кд/м2) она достигает максимума при длине волны 554 нм (в зеленой области спектра) и убывает в обе стороны от этого значения.
Колбочковое зрение наиболее чувствительно к излучению с длиной волны 554 нм, а палочковое - 513 нм. Это проявляется в изменениисоотношения по яркости в дневное и ночное (сумеречное) время.
Например, днем в саду самыми яркими кажутся плоды, имеющие желтую, оранжевую или красноватую окраску, ночью же зеленые. Днем в поле выделяются яркие маки, по сравнению с которыми голубые васильки кажутся неприметными. После захода солнца в сумерках картина меняется.
Частотные границы цветовой чувствительности составляют 396 – 760 нм, при особо благоприятных условиях в частных случаях 302 – 950 нм.
Приведем соотношение субъективной оценки цвета с длиной волны: фиолетовый – 390 – 420 нм; синий – 450 – 480 нм; голубой – 480 – 510 нм; зеленый – 510 – 550 нм; желтый – 575 – 585 нм; оранжевый – 585 – 620 нм; красный – 620 – 800 нм.
Чувствительность различных участков сетчатки к свету неодинакова. Самую низкую абсолютную чувствительность имеет область центральной ямки, где палочки почти совсем отсутствуют, а есть только колбочки.
Самую высокую абсолютную чувствительность имеют участки сетчатки, отдаленные от центрана 10-120, где самая высокая плотность палочковых рецепторов на единицу площади. К периферии чувствительность снижается.
На сетчатке имеется еще одно своеобразное место, которое совершенно лишено рецепторов и потому к свету нечувствительно. Это так называемое слепое пятно или диск зрительного нерва. Оно расположено кнаружи под углом 150 и имеет угловые размеры 10 .
Цветовой контраст характеризуется чувствительностью к изменению длины волны (оттенка). Минимально различимая разностьдлин волн (оттенков) зависит от яркости и угловых размеров объектов. При больших размерах рядом расположенных объектов глаз способенразличать до 107 световых оттенков. Различение ухудшается с уменьшением размеров, и при размерах объектов меньше 10/ хроматичность излучения перестает замечаться глазом. При средних размерах объектов и яркостях больше 10 кд/м2 общее число различаемых оттенков составляет несколько сот. Увеличение и уменьшение яркости снижает чувствительность к цветовым тонам. Приведем наиболее контрастирующие соотношения сигнал-фон (в порядке убывания цветового контраста): синий на белом, черный на желтом (и наоборот), зеленый на белом, черный на белом, зеленый на красном, красный на желтом, красный на белом, оранжевый на черном, черный на пурпурном, оранжевый на белом, красный на зеленом.
Острота зрения (порог разрешения, характеризующий разрешающую способность) – минимальный угол, при котором две равноудаленные точки видны как раздельные (зависит от освещенности и контрастности объекта, его положения в поле зрения, формы). Минимальный порог разрешения составляет несколько десятых угловой минуты.
При оптимальной освещенности (100-700 лк) порог разрешения равен 1-0,5/, что соответствует остроте зрения в 1-2 усл.ед. При различении белых объектов на черном фоне максимум остроты зрения несколько меньше и соответствует освещенности 5-10 лк.
Особые проявления пространственно – различительной способности: черные линии на белом фоне могут различаться при их толщине до 0,7 – 1// ; одиночный светлый объект на темном фоне воспринимается при исчезающе малых угловых размерах (например, звезды). Острота зрения зависит от длительности экспозиции объекта.
Восприятие мелькающего света имеет специфические особенности. Серия световых импульсов воспринимается как непрерывный сигнал, если интервалы между импульсами соизмеримы с временем инерции зрения. Пороговая частота fпор называется критической частотой слияния мельканий (КЧСМ).
КЧСМ изменяется от 14 до 70 Гц в зависимости от скважности импульсов, их формы, яркости угловых размеров объекта, место проекции на сетчатку, уровня адаптации, функционального состояния зрительного анализатора.
Субъективное ощущение яркости прерывистого света, воспринимаемого как непрерывный, равно тому, какое имелось бы, если бы интенсивность прерывистого света была равномерно распределена на весь период смены раздражения и темноты, т.е. определяется общей световой энергией, попадающей в глаз.
При частотах ниже КЧСМ субъективное ощущение яркости при скважности 0,5 зависит от частоты мельканий:
f, Гц.....................................0 1 2 4 8 16 32 64
В, кд/м2.............................. 48 48 54 64 96 54 28 23
Поле зрения, для каждого глаза в отдельности при ахроматическом освещении: сверху 500; внизу 700; в направлении к другому глазу 600; в противоположном направлении 900. Общее поле зрения при бинокулярном восприятии по горизонтали 1800.
Точное восприятие зрительных сигналов возможно только в центральной части поля зрения (фовеальная зона размером 30 от оси во все стороны).
Опознание взаимного расположения, форм объектов возможно в границах: вверх 250, вниз 350, в право и влево по 320 от оси зрения.
Восприятие движения характеризуется следующими особенностями. Нижний абсолютный порог восприятия скорости составляет:
- при наличии в поле зрения неподвижного ориентира 1-2 угл. мин/c;
- без ориентира 15-30 угл. мин/c.
Равномерное движение с малыми скоростями (до 10 угл. мин/c) при отсутствии в поле неподвижных ориентиров может восприниматься как прерывистое.
Слуховая чувствительность. Воздействие звуковых сигналов на звуковой анализатор определяется звуковым давлением (па). Интенсивность (сила) звука (вт/м2) определяется плотностью потока звуковой энергии (плотностью мощности).
Для характеристики величин, определяющих восприятие звука, существенными являются не столько абсолютные значения интенсивности звука и звукового давления, сколько их отношение к пороговым значениям (I=10 – 12 Вт/м2 или Р0=2*10 – 5 Па ). В качестве таких относительныхединицизмеренияиспользуют децибелы (дБ):
L = 10 lgI / I0 = 20 lgР / P0.
где I и Р – соответственно интенсивность и уровень звукового давления;
I0 и Р0 – их пороговые значения.
I – прямо пропорциональна Р2, поэтому коэффициент 20.
Интенсивность звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния; при удвоении расстояния снижается на 6 дБ. Абсолютный порог слышимости звука принят равным 2*10-5 Па (10-12 Вт/м2) и соответствует уровню 0дБ. Минимальная воспринимаемая амплитуда колебаний среды соответствует 10 – 9 см.
Чувствительность слухового анализатора к сигналам разных частот неодинакова. Частотный диапазон слышимых звуков приблизительно от 20 Гц до 20кГц. Максимальная чувствительность органа слуха лежит в области 1000-3000 Гц.
С возрастом людей пороги чувствительности, особенно на высоких частотах, возрастают. Выше порогового уровня интенсивности лежит область слухового восприятия звуковых сигналов (рис.3.1.)
При уровне 120 дБ (1 Вт/м2) звук становится дискомфортным, при 130 дБ (10 Вт/м2) вызывает неприятное ощущение. Верхней границей слухового поля является порог болевого ощущения, мало зависящей от частоты и близкий к 140 дБ (100 Вт/м2). Диапазон слышимых звуков от 0 дБ до 140 дБ (от 120 ¸140 дБ).
Р и с.3.1. Область слухового восприятия человека:
1-порог слышимости; 2-порог болевого ощущения; 3-область восприятия речи.
Громкость –субъективное впечатление от воздействия звуковых колебаний на орган слуха, зависящее прежде всего от интенсивности звука (или звукового давления). Вторым фактором, определяющим субъективное ощущение громкости, является частота. Экспериментально удается подобрать звуки разных частот и интенсивностей, оцениваемые субъективно как равные по громкости, т.е. построить кривые равной громкости (рис. 3.2). За единицу уровня громкости принят фон. Уровень громкости в фонах какого-либо звука определяется путем субъективного сравнения громкости данного звука с громкостью стандартного тона (f=1000 Гц), для которого уровень интенсивности в децибелах условно принят за уровень громкости в фонах.
Различие между уровнем громкости (фон) и уровнем интенсивности звука (дБ) тем больше, чем ниже его частота (начиная с 500 Гц) и слабее звук. По мере повышения интенсивности звука кривые равной громкости выравниваются, приближаясь к горизонтальным. Поэтому при уровнях громкости 80 фон и выше громкость звука определяется главным образом его интенсивностью и мало зависит от частотной характеристики.
Шкала уровней громкости в фонах является шкалой сравнения с эталонами. По ней можно определять условия, при которых звуки разных частот будут слышны как равногромкие, однако нельзя количественно сравнивать разные громкости. Для этой цели используют натуральную (субъективную) шкалу громкости в сонах. 1 сон – это громкость звука, равная громкости тона 1000 Гц при уровне интенсивности 40 дБ над порогом (примерно соответствует громкости шепота на расстоянии 0,3 м.). Отношение громкостей двух звуков в сонах показывает, во сколько раз один из них субъективно воспринимается громче другого.
Р и с.3.2. Кривые равных громкостей
Зависимость громкости в сонах от уровня громкости в фонах имеет нелинейный характер (рис.3.3). Участок кривой для уровней громкости выше 40 фон близок к линейному. В этом случае увеличение уровня на 10 фон независимо от исходного уровня дает ощущение удвоения громкости. Кривая приближенно аппроксимируется формулой Стивенса:
lgS = 0,03P - 1,2.
где S – громкость, сон;
P – уровень громкости, фон.
Для приближенной ориентировки в оценке громкости звуковможноиспользовать
Р и с3.3. Натуральная шкалатаблицу 3.1.
громкости
Таблица 3.1