1.6. Показатели негативности техносферы

В тех случаях, когда состояние среды обитания не удовлетворяет критериям комфортности и безопасности, неизбежно возникают негативные последствия. Для интегральной оценки влияния опасностей на человека и среду обитания используют ряд показателей негативности. К ним относят:

— численность пострадавших от воздействия травмирующих факторов.

Для оценки травматизма в производственных условиях, кроме абсолютных показателей, используют относительные по­казатели частоты и тяжести травматизма.

Показатель частоты травматизма определяет число несчастных случаев, приходящихся на 1000 работающих за оп­ределенный период:

(1.6)

где С - среднесписочное число работающих.

Показатель тяжести травматизма характеризует среднюю длительность нетрудоспособности, приходящуюся на один несчастный случай:

(1.7)

где Д - суммарное число дней нетрудоспособности по всем несчастным случаям.

Для оценки уровня нетрудоспособности вводят показатель нетрудоспособности = 1000 Д /С ; нетрудно видеть, что ;

- численность пострадавших , получивших профессиональные или региональные заболевания;

- показатель сокращения продолжительности жизни (СПЖ) при воздействии вредного фактора или их совокупности. К показателям СПЖ относятся абсолютные значения СПЖ в сутках и относительные показатели СПЖ, определяемые по формуле СПЖ=(П-СПЖ/365)/П, где П - средняя продолжительность жизни, лет;

- региональная младенческая смертность определяется числом смертей детей в возрасте до 1 года из 1000 новорожденных;

- материальный ущерб. Например, экономические потери от стихийных бедствий в мире составили:

Год 1989 1993 1995

Потери, млрд. долларов 7 27 35

2. Человек как элемент системы «человек - среда обитания»

2.1. Структурно-функциональная организация человека с точки зрения его взаимодействия с окружающей средой и техникой

Общие характеристики анализаторов. Целесообразная и безопасная деятельность человека основывается на постоянном приеме и анализе информации о характеристиках внешней среды и внутренних системах организма. Этот процесс осуществляется с помощью анализаторов — подсистем центральной нервной системы (ЦНС), обеспечивающих прием и первичный анализ информационных сигналов. Информация, поступающая через анализаторы, называется сенсорной (от лат. Sensys — чувство, ощущение), а процесс ее приема и первичной переработки — сенсорным восприятием.

В коре головного мозга — высшем звене ЦНС — информация, поступающая из внешней среды, анализируется и осуществляется выбор или разработка программы ответной реакции, т. е. формируется информация об изменении организации жизненных процессов таким образом, чтобы это изменение не привело к повреждению и гибели организма. Например, в от­вет на повышение температуры внешней среды, которое может привести к повышению температуры тела и далее к необратимым изменениям в органах (коре головного мозга, органах зрения, почках), возникают реакции компенсаторного характера. Они могут быть поведенческими — внешними (уход в более прохладное место) или внутренними (снижение выработки теплопродукции, повышение теплоотдачи).

Общая функциональная схема анализатора представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Функциональная схема анализатора

Центральной частью анализатора является некоторая зона в коре головного мозга. Периферическая часть — рецепторы — находится на поверхности тела для приема внешней информации либо размещена во внутренних системах и органах для восприятия информации об их состоянии. Проводящие нервные пути соединяют рецепторы с соответствующими зонами мозга.

Рецепторы представляют собой окончания чувствительных (афферентных) нервных волокон, способные возбуждаться при действии раздражителя. Часть из них воспринимает изменения в окружающей среде (экстероцепторы), а часть — во внутренней среде организма (интероцепторы). Выделяют группу рецепторов, расположенных в скелетных мышцах, сухо­жилиях и сигнализирующих о тонусе мышц (проприоцепторы).

В зависимости от природы раздражителя рецепторы подразделяют на несколько групп:

- механорецепторы, представляющие собой периферические отделы соматической, скелетно-мышечной и вестибулярной систем; к ним относятся фонорецепторы, вестибулярные, гравитационные, а также тактильные рецепторы кожи и опорно-двигательного аппарата, барорецепторы сердечно-сосудистой системы;

- терморецепторы, воспринимающие температуру как внутри организма, так и в окружающей организм среде; они объединяют рецепторы кожи и внутренних органов, а также центральные термочувствительные нейроны в коре мозга;

- хеморецепоторы, реагирующие на воздействие химических веществ; они включают рецепторы вкуса и обоняния, со­судистые и тканевые рецепторы (например, глюкорецепторы, воспринимающие изменение уровня сахара в крови);

- фоторецепторы, воспринимающие световые раздражители;

- болевые рецепторы, которые выделяются в особую группу; они могут возбуждаться механическими, химическими и температурными раздражителями.

Согласно психофизиологической классификации рецепторов по характеру ощущений различают зрительные, слуховые, обонятельные, осязательные рецепторы, рецепторы боли, рецепторы положения тела в пространстве (проприоцепторы и вестибулорецепторы).

Морфологически рецепторы представляют собой клетку, снабженную подвижными волосками или ресничками (подвиж­ными антеннами), обеспечивающими чувствительность рецепторов. Так, для возбуждения фоторецепторов достаточно 5... 10 квантов света, а для обонятельных рецепторов — одной молекулы вещества.

При длительном воздействии раздражителя происходит адаптация рецептора и его чувствительность снижается: однако, когда действие постоянного раздражителя прекращается, чувствительность рецепции растет снова. Для адаптации рецепторов нет единого общего закона, и в каждой сенсорной системе может быть свое сочетание факторов, определяющих изменение возбудительного процесса в анализаторе. Различают быстро адаптирующиеся (тактильные, барорецепторы) и медленно адаптирующиеся рецепторы (хеморецепторы, фоторецепторы). Вестибулорецепторы и проприоцепторы не адаптируются.

Если рассматривать анализатор в целом, то к основным его параметрам можно отнести такие.

1. Абсолютная чувствительность к интенсивности сигнала (абсолютный порог ощущения по интенсивности) - характеризуется минимальным значением воздействующего раздражителя, при котором возникает ощущение. В зависимости от вида раздражителя абсолютный порог измеряется в единицах энергии, давления, температуры, количества или концентрации вещества и т.п. Минимальную адекватно ощущаемую интенсивность сигнала принято называть нижним порогом чувствительности.

Психофизическими опытами установлено, что величина ощущений изменяется медленнее, чем сила раздражителя. Интенсивность ощущений Е выражается логарифмической зависимостью (закон Вебера-Фехнера)

Е=KlgJ+C (2.1)

где J - интенсивность раздражителя; К, С - константы, определяемые данной сенсорной системой.

2. Предельно допустимая интенсивность сигнала (обычно близка к болевому порогу). Максимальную адекватно ощущаемую величину сигнала принято называть верхним порогом чувствительности.

3. Диапазон чувствительности к интенсивности — включает все переходные значения раздражителя от абсолютного порога чувствительности до болевого порога.

4. Дифференциальная (различительная) чувствительность к изменению интенсивности сигнала — что минимальное изменение интенсивности сигнала, ощущаемое человеком. Различают абсолютные дифференциальные пороги, характеризуемые значением , и относительные, выражаемые в процентах: %, где J - сходная интенсивность.

5. Дифференциальная (различительная) чувствительность к изменению частоты сигнала — это минимальное изменение частоты f сигнала, ощущаемое человеком. Измеряется аналогично дифференциальному порогу по интенсивности, либо в абсолютных единицах ∆f , либо в относительных - ∆f/f∙ 100%.

6. Границы (диапазон) спектральной чувствительности (абсолютные пороги ощущений по частоте, длине волны), которые определяются для анализаторов, чувствительных к изменению частотных характеристик сигнала (зрительного, слухового, вибрационного), отдельно нижний и верхний пороги.

7. Пространственные характеристики чувствительности, специфичные для каждого анализатора.

8. Минимальная длительность сигнала, необходимая для возникновения ощущений и характерная для каждого анализатора. Время, проходящее от начала воздействия раздражителя до появления ответного действия на сигнал (сенсомоторная реакция), называют латентным периодом.

Величина латентного периода (с) для различных анализаторов следующая:

тактильный (прикосновение) 0,09…0,22 слуховой (звук) 0,12…0,18 зрительный (свет) 0,15…0,22 обонятельный (запах) 0,31…0,39 температурный (тепло- холод) 0,28…1,6 вестибулярный аппарат (при вращении) 0,4 болевой (рана) 0,13…0,89

9. Адаптация (привыкание) и сенсибилизация (повышение чувствительности), которые характеризуются временем и присущи каждому типу анализаторов.

Функционирование разных анализаторов существенно изменяется под влиянием неблагоприятных для человека условий. Низкие и высокие температуры, вибрации, перегрузки, невесомость, слишком интенсивные потоки информации, ведущие к дефициту времени, и ее недостаток, утомление, вызванное длительной работой или неблагоприятными условиями, состоя­ние стресса - все эти факторы вызывают различные изменения характеристик анализаторов.

Характер этих изменений зависит от продолжительности внешних воздействий. Например, кратковременное снижение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе вызывает лишь учащение дыхания и увеличение скорости кровотока, чем и обеспечивается снабжение тканей кислородом. При компенсации длительно действующего гипоксического фактора (кислородного голодания) участвуют совсем другие механизмы. У человека в горах повышается транспортная функция крови (увеличивается количество эритроцитов и изменяются кислородсвязывающие свойства гемоглобина), усиливается анаэробное дыхание, повышается активность ферментов.

В большинстве случаев изменения в организме в ответ на состояние внешней среды происходят при участии нескольких анализаторов и невозможно провести четкие границы между ними, особенно на уровне центральной нервной системы. Например, в регуляции позы участвуют вестибулярный аппарат, гравирецепторы и проприоцепторы мышц, тактильные рецепторы кожи, рецепторы органа зрения. Поэтому те участки нервной системы, в которых происходит синтез первичной информации, ее окончательный анализ и сравнение полученного результата с ожидаемым (так называемое опознание образов), функционируют как единое целое. В этом случае разделение анализаторных систем невозможно еще и потому, что все они имеют один и тот же исполнительный механизм - опорно-двигательный аппарат.

Чтобы обеспечить достаточную надежность деятельности человека при приеме и анализе сигналов в любых условиях, для практических расчетов рекомендуется использовать не абсолютные и дифференциальные пороги чувствительности анализаторов к различным характеристикам сигналов, а оперативные пороги, характеризующие не минимальную, а некоторую оптимальную различимость сигналов. Обычно оперативный порог в 10...15 раз выше соответствующего абсолютного и дифференциального.

Рис.2.2. Схема строения глаза человека

Характеристика зрительного анализатора. В процессе деятельности человек до 90 % всей информации получает через зрительный анализатор, который включает в себя глаза, зрительные нервы и зрительный центр, расположенный в затылочной доле коры головного мозга. Глаз представляет собой сложную оптическую систему (рис. 2.2). Глазное яблоко имеет форму шара с тремя оболочками: наружная, толстая оболочка называется белковой, или склерой, а ее передняя прозрачная часть - роговицей. Внутрь от белковой оболочки расположена вторая - сосудистая оболочка. Ее передняя часть, лежащая позади роговицы, называется радужкой, в центре которой имеется отверстие, именуемое зрачком. Радужка играет роль диафрагмы. Сзади радужной оболочки, против зрачка, расположен хрусталик, который можно сравнить с двояковыпуклой оптической линзой. Между роговицей и радужкой, а также между радужкой и хрусталиком расположены соответственно передняя и задняя камеры глаза. В них находится прозрачная богатая питательными веществами жидкость, снабжающая ими роговицу и хрусталик, которые лишены кровеносных сосудов. За хрусталиком, заполняя всю полость глаза, находится стекловидное тело.

Лучи света, попадая в глаз, проходят через роговицу, хрусталик и стекловидное тело, т. е. через три преломляющие прозрачные среды, и попадают на внутреннюю оболочку глаза — сетчатку, в ней находятся светочувствительные рецепторы — палочки (130 млн.) и колбочки (7 млн.).

Свет, проникающий в глаз, воздействует на фотохимическое вещество элементов сетчатки и разлагает его. Достигнув определенной концентрации, продукты распада раздражают нервные окончания, заложенные в папочках и колбочках. Возникающие при этом импульсы по волокнам зрительного нерва поступают в нервные клетки зрительного бугра, и человек видит цвет, форму и величину предметов.

Функции палочек и колбочек различны: колбочки обеспечивают так называемое дневное зрение, «ночное» же зрение осуществляется с помощью палочек. Разрешающая способность палочек и колбочек различна; колбочки позволяют четко различать мелкие детали. Цветное зрение осуществляется исключительно через колбочковый аппарат, палочки цвета не вос­принимают и дают ахроматические изображения.

Прием и анализ информации глазом происходит в световом диапазоне (380...760 нм) электромагнитных волн. Цветовые ощущения вызываются действием световых волн, имеющих различную длину.

Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. Наибольшая чувствительность в условиях обычного дневного освещения достигается при длине волн 554 нм (в желто-зеленой части спектра) и убывает в обе стороны от этого значения.

Характеристикой чувствительности является относительная видность — , где — ощущение, вызываемое источником излучения с длиной волны 554 нм; - ощущение, вызываемое источником той же мощности с длиной волны .

Минимальная интенсивность светового воздействия, вызывающая ощущение света, называется порогом световой чувствительности. В качестве меры интенсивности принимается яркость воспринимаемого объекта в канделах на квадратный метр (кд/ ). В случае восприятия объектов, светящихся отраженным светом, яркость рассчитывают по формуле В = Е, где — коэффициент отражения поверхности; Е— освещенность, лк.

Полный диапазон световой чувствительности 3-10 ...2,25-10 кд/м . Абсолютная слепящая яркость наступает при 225000 кд/м . Эффект ослепления может наступить и при меньших яркостях, если скорость нового объекта, попавшего в поле зрения, превысит яркость того объекта, на которую адаптирован глаз.

Порог световой чувствительности изменяется в широких пределах в процессе адаптации зрительного анализатора к внешнему световому воздействию.

Наиболее высокая чувствительность, достигаемая в ходе темновой адаптации в течение нескольких (до 3...4) часов, и представляет собой абсолютный порог световой чувствительности.

Различие предмета на фоне других определяется контрастом его с фоном. Для практических целей используется показатель, именуемый порогом контрастной чувствительности. Величина контраста оценивается количественно, как отношение разности яркости (кд/м ) предмета и фона к большей яркости:

- темный объект на светлом фоне (прямой контраст):

%;

-светлый объект на темном фоне (обратный контраст):

%,

где и — яркости объекта и фона. Оптимальная величина контраста считается 0,6...0,9.

Временные характеристики восприятия сигналов:

-латентный период (скрытый период) — время от подачи сигнала до момента возникновения ощущения (0,15...0,22 с);

- порог обнаружения сигнала при большей яркости — 0,001 с, при длительности вспышки 0,1 с. Яркость сигнала практического значения не имеет;

- привыкание к темноте (неполная темновая адаптация) длится от нескольких секунд до нескольких минут;

- восприятие мелькающего света (критическая частота слияния мельканий) изменяется от 14 до 70 Гц в зависимости от яркости импульсов, их формы, угловых размеров объекта, уровня зрительной адаптации, функционального состояния человека и т.п. Для исключения слияния мельканий рекомендуется проецирование сигналов с частотой 3...8 Гц.

При оценке восприятия пространственных характеристик основным понятием является острота зрения, которая характеризуется минимальным углом, под которым две точки видны как раздельные. Острота зрения зависит от освещенности, контрастности, формы объекта и других факторов. При оптимальной освещенности (100...700 лк) порог разрешения составляет от 1° до 5 мин. При уменьшении контрастности острота зрения снижается.

При восприятии объектов в двухмерном и трехмерном пространстве различают поле зрения и глубинное зрение. Бинокулярное поле зрения охватывает в горизонтальном направлении 120... 180°, по вертикали вверх — 55...60° и вниз — 65...72°. Опознание взаимного расположения, форм объектов возможно в границах: вверх — 25°, вниз — 35°, право и влево — по 32° от оси зрения. Точное восприятие зрительных сигналов и четкое различение деталей возможно только в центральной части поля зрения размером 3° от оси во все стороны. Глубинное зрение связано с восприятием пространства. Ошибка восприятия абсолютной удаленности составляет 12 % при дистанции 30 м. Восприятие пространства — формы, объема, величины и взаимного расположения объектов, их рельефа, удаленности и направления, в котором они находятся, достигается за счет бинокулярного зрения двумя глазами.

Информация об удалении предметов достигается за счет конвергенции — сведений зрительных осей на объекте восприятия, благодаря чему возникают мышечные двигательные ощущения, которые и дают информацию.

Характеристика слухового анализатора. С помощью звуковых сигналов человек получает до 10 % информации.

Характерными особенностями слухового анализатора являются:

• способность быть готовым к приему информации в любой момент времени;

• способность воспринимать звуки в широком диапазоне частот и выделять необходимые;

• способность устанавливать со значительной точностью месторасположение источника звука.

Рис. 2.3. Схематическое изображение органа слуха (на разрезе):

1 - ушная раковина; 2 - наружный слуховой проход; 3 - барабанная перепонка, отделяющая наружный слуховой проход от полости среднего уха; 4 - система косточек среднего уха; 5 - полукружные каналы; 6 - улитка; 7 - лицевой нерв и нерв органа слуха и равновесия; 8 - евстахиева (слуховая) труба.

Орган слуха — ухо представляет собой воспринимающую часть звукового анализатора (рис. 2.3). Оно имеет три отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода, затянутого упругой барабанной перепонкой, отделяющей среднее ухо. Ушная раковина и слуховой проход служат для улучшения приема звука высоких частот. Они способны усиливать звук с частотой 2000...5000 Гц на 10...20 дБ, и это обстоятельство определяет повышенную опасность звуков указанного диапазона частот.

В полости среднего уха расположены так называемые слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремячко, связанные как бы в одну цепь. Они служат для передачи звуковых колебаний от барабанной перепонки во внутреннее ухо, где расположен специальный воспринимающий звук орган, называемый кортиевым. В среднем ухе амплитуда колебаний уменьшается, а мышца среднего уха обеспечивает защиту от звуков низкой частоты. Полость среднего уха сообщается с полостью носоглотки с помощью евстахиевой трубы, по которой во время глотания воздух проходит в полость среднего уха.

Внутреннее ухо отличается наиболее сложным устройством. Оно состоит из трех частей: улитки, трех полукружных каналов и мешочков преддверия. Улитка воспринимает звуковые раздражения, а мешочки преддверия и полукружные каналы - раздражения, возникающие от перемены положения тела в пространстве.

Звуковые волны проникают в слуховой проход, приводят в движение барабанную перепонку и через цепь слуховых косточек передаются в полость улитки внутреннего уха. Колебания жидкости в канале улитки передаются волокнам основной перепонки кортиева органа в резонанс тем звукам, которые поступают в ухо. Колебания волокон улитки приводят в движение расположенные в них клетки кортиева органа. Возникающий нервный импульс передается в соответствующий отдел головного мозга, в котором синтезируется соответствующее слуховое представление.

Орган слуха воспринимает далеко не все многочисленные звуки окружающей среды. Частоты, близкие к верхнему и нижнему пределам слышимости, вызывают слуховое ощущение лишь при большой интенсивности и по этой причине обычно не слышны. Очень интенсивные звуки слышимого диапазона могут вызвать боль в ухе и даже повредить слух.

Механизм защиты слухового анализатора от повреждения при воздействии интенсивных звуков предусмотрен анатомическим строением среднего уха, системой слуховых косточек и мышечных волокон, которые являются механическим передаточным звеном, ответственным за появление акустического рефлекса блокировки звука в ответ на интенсивный звуковой раздражитель. Возникновение акустического рефлекса обеспечивает защиту чувствительных структур улитки внутреннего уха от разрушения. Скрытый период возникновения акустического рефлекса равен приблизительно 10 мс.

Таким образом, орган слуха выполняет два задания: снабжает организм информацией и обеспечивает самосохранение, противостоит повреждающему действию акустического сигнала.

В связи с этим слуховое представление информации осуществляется в тех случаях, когда оказывается возможным использовать указанные свойства слухового анализатора. Наиболее часто слуховые сигналы применяются для сосредоточенного внимания человека-оператора (предупредительные сигналы и сигналы опасности), для передачи информации человеку-оператору, находящемуся в положении, не обеспечивающим ему достаточной для работы видимости объекта управления, приборной панели и т.п., а также для разгрузки зрительной системы.

Для эффективного использования слуховой формы представления информации необходимо знание характеристик слухового анализатора. Свойства слухового анализатора оператора проявляются в восприятии звуковых сигналов. С физической точки зрения звуки представляют собой распространяющиеся механические колебательные движения в слышимом диапазоне частот.

Механические колебания характеризуются амплитудой и частотой. Амплитуда - наибольшая величина измерения давления. Частота - число полных колебаний в одну секунду. Единицей ее измерения является герц (Гц) - одно колебание в секунду. Амплитуда колебаний определяет величину звукового давления и интенсивность звука (или силу звучания). Звуковое давление принято измерять в паскалях (Па).

Основные параметры (характеристики) звуковых сигналов (колебаний):

• интенсивность (амплитуда),

• частота и форма, которые отражаются в таких звуковых ощущениях как громкость, высота и тембр.

Для характеристики величин, определяющих восприятие звука, существенными являются не только абсолютные значения интенсивности звука и звукового давления, сколько их отношение к пороговым значениям ( Вт/м или Па). В качестве таких относительных единиц измерения используют децибелы (дБ)

где j и Р — соответственно интенсивность и уровень звукового давления, и — их пороговые значения.

Интенсивность звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния; при удвоении расстояния снижается на 6 дБ. Абсолютный порог слышимости звука составляет (принят) Па Вт/м и соответствует уровню 0 дБ.

Пользование шкалой децибел удобно, так как почти весь диапазон слышимых звуков укладывается менее чем в 140 дБ (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Диаграмма области слухового восприятия

Громкость — характеристика слухового ощущения, наиболее тесно связанная с интенсивностью звука, Уровень громкости выражается в фонах; фон численно равен уровню звукового давления в дБ для чистого тона частотой 1000 Гц. Дифференциальная чувствительность к изменению громкости—

К = (∆j/j) наблюдается в диапазоне частот 500...1000Гц. С характеристикой громкости тесно связана характеристика раздражающего действия звука. Ощущение неприятности звуков возрастает с увеличением их громкости и частоты. Минимальный уровень определенного звука, который требуется для того, чтобы вызвать слуховое ощущение в отсутствие шума, называют абсолютным порогом слышимости. Значение его зависит от тона звука (частота, длительность, форма сигнала), метода его предъявления и субъективных особенностей слухового анализатора оператора. Абсолютный порог слышимости имеет тенденцию с возрастом уменьшаться (рис.2.5)

Рис. 2.5. Зависимость потери слуха с возрастом для раз­личных частот звукового сигнала

Высота звука, как и его громкость, характеризует звуковое ощущение оператора. Частотный спектр слуховых ощущений простирается от 16...20 Гц до 20 000...22 000 Гц. В реальных условиях человек воспринимает звуковые сигналы на определенном акустическом фоне. При этом фон может маскировать полезный сигнал. Эффект маскировки имеет двоякое значение. В ряде случаев фон может маскировать полезный (нужный) сигнал, в некоторых случаях может улучшать акустическую обстановку. Так, известно, имеется тенденция маскировки высокочастотного тона низкочастотным, который менее вреден для человека.

Слуховой анализатор способен фиксировать даже незначительные изменения частоты входного звукового сигнала, т.е. обладает избирательностью, которая зависит от уровня звукового давления, частоты и длительности звукового сигнала. Минимально заметные различения составляют 2...3 Гц и имеют место на частотах менее 10 Гц, для частот более 10 Гц минимально заметные различения составляют около 0,3% частоты звукового сигнала. Избирательность повышается при уровнях громкости 30 дБ и более и длительности звучания, превышающей 0,1 с. Минимально заметные различения частоты звукового сигнала существенно уменьшаются при его периодическом повторении. Оптимальными считаются сигналы, повторяющиеся с частотой 2...3 Гц. Слышимость, а, следовательно, и обнаруживаемость звукового сигнала зависят от длительности его звучания. Так для обнаружения звуковой сигнал должен длиться не менее 0,1 с.

Наряду с рассмотренными звуковыми сигналами в управлении используются речевые сигналы для передачи информации или команд управления от оператора к оператору. Важным условием восприятия речи является различение длительности и интенсивности отдельных звуков и их комбинаций. Среднее время длительности произнесения гласного звука равно примерно 0,36 с, согласного 0,02...0,03 с. Восприятие и понимание речевых сообщений существенно зависят от темпа их передачи, наличия интервалов между словами и фразами. Оптимальным считается темп 120 слов/мин, интенсивность речевых сигналов должна превышать интенсивность шумов на 6,5 дБ. При одновременном увеличении уровня речевых сигналов и шумов при постоянном их отношении разборчивость речи сохраняется и даже несколько увеличивается. При значительном увеличении уровня речи и шума до 120 и 115 дБ и соответственно разборчивость речи ухудшается на 20 %. Опознание речевых сигналов зависит от длины слова. Так, односложные слова распознаются в 13 % случаев, шестисложные — в 41 %. Это объясняется наличием в сложных словах большого числа опознавательных признаков. Имеет место повышение до 10 % точности распознавания слов, начинающихся с гласного звука. При переходе к фразам оператор воспринимает не отдельные слова или их сочетания, а смысловые грамматические конструкции, длина которых (до уровня 11 слов) не имеет особого значения. Полезно знать, что используемые стереотипные словосочетания, фразеологизмы, распознаются значительно хуже, чем это можно было ожидать. Увеличение альтернативных слов возможных словосочетаний, фраз, повышает правильность опознания. Однако включение фраз, допускающих неоднозначность толкования их смыслового содержания, приводит к замедлению процесса восприятия.

Таким образом, вопрос организации звукового и речевого взаимодействия «оператор — оператор», «техническое средство -оператор» является не тривиальным и его оптимальное решение оказывает существенное воздействие на безопасность производственных процессов.

Характеристика кожного анализатора. Кожа - внешний покров тела - представляет собой орган с весьма сложным строением, выполняющий ряд важных жизненных функций. Кроме защиты организма от вредных внешних воздействий кожа выполняет рецепторную, секреторную, обменную функции, играет значительную роль в терморегуляции и т. д.

В коже (рис. 2.6) различают три слоя: наружный (эпителиальный - эпидермис), соединительнотканный (собственно кожа - дерма) и

Рис. 2.6. Схематическое изображение микроскопического строения кожи (на разрезе): I - эпидермис; II - дерма (собственно кожа); III подкожная жировая клетчатка;

1 - роговой слой эпидермиса; 2 - базальный, шиповатый, зернистый и блестящий слои эпидермиса; 3 - мышца, поднимающая волос; 4 -стержень волоса; 5 - сальная железа; 6 - нервные окончания;

7 - потовая железа с выводным протоком; 8 - кровеносный сосуд

подкожная жировая клетчатка. В коже имеется большее число кровеносных и лимфатических сосудов. Нервный аппарат кожи состоит из многочисленных пронизывающих дерму нервных волокон и нервных окончаний.

Одна из основных функций кожи - защитная; кожа - орган защиты. Так, растяжение, давление, ушибы обезвреживаются упругой жировой подстилкой и эластичностью кожи. Нормальный роговой слой предохраняет глубокие слои кожи от высыхания и весьма устойчив по отношению к различным химическим веществам. Пигмент меланин, поглощающий ультрафиолетовые лучи, предохраняет кожу от воздействия солнечного света. Особенно большое значение имеют стерилизующие свойства кожи и устойчивость к различным микробам; неповрежденный роговой слой непроницаем для болезнетворных микроорганизмов, а кожное сало и пот создают кислую среду, неблагоприятную для многих микробов. Эта спасительная кислотность - результат деятельности потовых и сальных желез, доставляющих необходимые жирные кислоты. Окисление происходит в роговом веществе, поэтому так важен достаточный приток кислорода для профилактики кожных заболеваний. Кожа «дышит»; если покрыть человека лаком, он начнет задыхаться.

Важной функцией кожи является ее участие в терморегуляции (поддержании нормальной температуры тела); 80 % всей теплоотдачи организма осуществляется кожей. При высокой температуре внешней среды кожные сосуды расширяются и теплоотдача конвекцией усиливается. При низкой температуре сосуды суживаются, кожа бледнеет, теплоотдача уменьшается.

Секреторная функция обеспечивается сальными и потовыми железами. С кожным салом могут выделяться некоторые лекарственные вещества (иод, бром), продукты промежуточного метаболизма (обмена веществ), микробных токсинов и эндогенных ядов. Функция сальных и потовых желез регулируется вегетативной нервной системой.

Обменная функция кожи заключается в участии в процессах регуляции общего обмена веществ в организме, особенно водного, минерального и углеводного. Считают, что кожу можно условно рассматривать как железу внешней и внутренней секреции, с обширной поверхностью, богато снабженной сосудами и тесно связанной со всеми внутренними органами. Кожа - это «периферический мозг», неутомимый сторож, который всегда начеку, постоянно извещает центральный мозг о каждой агрессии и опасности.

Кожа обеспечивает восприятие прикосновения (слабого давления), боли, тепла, холода и вибрации. Для каждого из этих ощущений (кроме вибрации) в коже имеются специфические рецепторы, либо их роль выполняют свободные нервные окончания. Каждый микроучасток кожи обладает наибольшей чувствительностью к тем раздражителям (сигналам), для которых на этом участке имеется наибольшая концентрация соответствующих рецепторов - болевых, температурных и тактильных. Так плотность размещения составляет: натыльной части кисти —188 болевых, 14 осязательных, 7 холодовых и 0,5 тепловых на квадратный сантиметр поверхности; на грудной клетке соответственно —196, 29,9 и 0,3. Воздействие в этих точках даже не специфическим, но достаточно сильным раздражителем независимо от его характера вызывает специфическое ощущение, обусловленное типом рецептора. Например, интенсивный тепловой луч, попадая в точку боли, вызывает ощущение боли.

Чувствительность к прикосновению. Это — ощущение, возникающее при действии на кожную поверхность различных механических стимулов (прикосновение, давление), вызывающих деформацию кожи. Ощущение возникает только в момент деформации. Абсолютный порог тактильной чувствительности определяется по тому минимальному давлению предмета на кожную поверхность, которое производит едва заметное ощущение прикосновения. Наиболее высоко развита чувствительность на дистальных частях тела. Примерные пороги ощущений: для кончиков пальцев руки — 3 г/мм ; на тыльной стороне пальца — 5 г/мм , на тыльной стороне кисти — 12 г/мм ; на животе —26 г/мм ; на пятке — 250 г/мм . Порог различения в среднем равен примерно 0,07 исходной величины давления.

Тактильный анализатор обладает высокой способностью к пространственной локализации. При последовательном воздействии одиночных раздражителей ошибка в локализации колеблется в пределах 2...8 мм. Характерной особенностью тактильного анализатора является быстрое развитие адаптации, т.е. исчезновение чувства прикосновения или давления. Время адаптации зависит от силы раздражителя и для различных участков тела может изменяться в пределах 2...20 с.

При ритмических последовательных прикосновениях к коже каждое из них воспринимается как раздельное, пока не будет достигнута критическая частота , при которой ощущение последовательности прикосновений переходит в специфическое ощущение вибрации. В зависимости от условий и места раздражения - 5...20 Гц.

При F > от анализа собственно тактильной чувствительности переходят к анализу вибрационной.

Вибрационная чувствительность - обусловлена теми же рецепторами, что и тактильная, поэтому топография распределения вибрационной чувствительности по поверхности тела аналогична тактильной.

Диапазон ощущения вибрации высок: 5... 12000 Гц. Наиболее высока чувствительность к частотам 200...250 Гц. При их увеличении и уменьшении вибрационная чувствительность снижается. В этом случае пороговая амплитуда вибрации минимальна и равна 1 мкм. Пороги вибрационной чувствительности различны для разных участков тела. Наибольшей чувствительностью обладают дистальные участки тела человека, т.е. которые наиболее удалены от его медиальной плоскости (например, кисти рук).

Кожная чувствительность к боли. Этот вид чувствительности обусловлен воздействием на поверхность кожи механических, тепловых, химических, электрических и других раздражителей. В эпителиальном слое кожи имеются свободные нервные окончания, которые являются специализированными нервными рецепторами. Между тактильными и болевыми рецепторами существуют противоречивые отношения. Проявляются они в том, что наименьшая плотность болевых рецепторов приходится на те участки кожи, которые наиболее богаты тактильными рецепторами, и наоборот. Противоречие обусловлено различием функций рецепторов в жизни организма. Болевые ощущения вызывают оборонительные рефлексы, в частности, рефлекс удаления от раздражителя. Тактильная чувствительность связана с ориентировочными рефлексами, в частности, это вызывает рефлекс сближения с раздражителем.

Биологический смысл боли состоит в том, что она, являясь сигналом опасности, мобилизует организм на борьбу за самосохранение. Под влиянием болевого сигнала перестраивается работа всех систем организма и повышается его реактивность.

Болевой порог при механическом давлении на кожу измеряется в единицах давления и зависит от места измерений. Например, порог болевой чувствительности кожи живота составляет 15...20 г/ , кончиков пальцев — 300 г/ . Латентный период около 370 мс. Критическая частота слияния дискретных болевых раздражителей — 3 Гц.

Пороговая плотность потока тепла, вызывающего болевое ощущение, составляет 88 Дж/(м∙с).

Температурная чувствительность. Свойственна организмам, обладающим постоянной температурой тела, обеспечиваемой терморегуляцией. Температура кожи несколько ниже температуры тела и различна для отдельных участков: на лбу — 34...35 °С, на лице —20...25 °С, на животе — 34 °С, стопах ног — 25...27 °С. Средняя температура свободных от одежды участков кожи 30...32 °С. Коже присущи два вида рецепторов. Одни реагируют только на холод, другие только на тепло.

Пространственные пороги зависят от стимулирующих факторов: при контактном воздействии, например, ощущение возникает уже на площади в 1 , при лучевом — начиная с 700 . Латентный период температурного ощущения равен примерно 0,2 с. Абсолютный порог температурной чувствительности определяется по минимально ощущаемому изменению температуры участков кожи относительно физиологического нуля, т.е. собственной температуры данной области кожи, адаптировавшейся к внешней температуре. Физиологический нуль для различных областей кожи достигается при температурах среды между 12... 18 °С и 41...42 °С. Для тепловых рецепторов абсолютный порог составляет примерно 0,2 °С, для хо­лодных — 0,4 °С. Порог различительной чувствительности составляет примерно 1 °С.

Кинестетический анализатор. Обеспечивает ощущение положения и движений тела и его частей. Имеется три вида рецепторов, воспринимающих:

1. Растяжение мышц при их расслаблении — «мускульные веретена»;

2. Сокращение мышц — сухожильные органы Гольджи;

3. Положение суставов (обусловливающее так называемое «суставное чувство»). Предполагается, что их функции выполняют глубинные рецепторы давления.

Возможности двигательного аппарата представляют определенную значимость при конструировании защитных устройств, органов управления. Сила сокращения мышц человека колеблется в широких пределах. Например, номинальная сила кисти в 450...650 Н при соответствующей тренировке может быть доведена до 900 Н. Сила сжатия, в среднем равная 500 Н для правой и 450 Н для левой руки, может увеличиваться в два раза и более.

Оптимальные усилия на органы управления:

- для рукояток 20...40 Н (100 Н — максимальное);

- для кнопок, тумблеров, переключателей легкого типа 1400... 1600 Н, тяжелого - 6000...12 000 Н;

- для ножных педалей управления от 20...50 Н (используемых часто) до ЗОО Н (используемых редко); - для рычажного управления от 20...40 Н (используемых часто) до 120... 160 Н (используемых редко).

Диапазон скоростей, развиваемых движущимися руками человека, находится в пределах 0,01 ...8000 см/с. Наиболее часто используются скорости порядка 5...800 см/с. Скорость движения больше в направлении к себе, чем от себя; в вертикальной плоскости, чем в горизонтальной: сверху вниз, чем снизу вверх; вперед - назад, чем вправо - влево; слева направо для правой руки и справа налево для левой, чем наоборот. Вращательные движения в 1,5 раз быстрее поступательных.

Обонятельный анализатор. Предназначен для восприятия человеком различных запахов (их диапазон охватывает до 400 наименований). Рецепторы расположены на участке площадью около 2,5 слизистой оболочки в носовой полости.

Условиями восприятия запахов являются летучесть пахучего вещества (выделение его молекул в свободном виде); растворимость веществ в жирах; движение воздуха, содержащего молекулы пахучего вещества в области обонятельного анализатора.

Абсолютный порог обоняния измеряется долями миллиграмма вещества на литр воздуха (мг/л). Запахи могут сигнализировать человеку о нарушениях в ходе технологических процессов и об опасностях.

Вкусовой анализатор. В физиологии и психологии распространена четырехкомпонентная теория вкуса, согласно которой существуют четыре вида элементарных вкусовых ощущений: сладкого, кислого, горького и соленого. Все остальные ощущения представляют их комбинации. Абсолютные пороги вкусового анализатора выражаются в величинах концентраций раствора и они примерно в 10000 раз выше, чем обонятельного. Различная чувствительность вкусового анализатора довольно груба, в среднем она составляет 20 %. Восстановление вкусовой чувствительности после воздействия различных раздражителей заканчивается через 10... 15 мин.

С помощью анализаторов человек получает обширную информацию об окружающем мире. Количество информации принято измерять в двоичных знаках - битах. Например, поток информации через зрительный рецептор человека составляет бит/с, нервные пути пропускают 2∙ бит/с, в памяти прочно задерживается только 1 бит/с. Следовательно, в коре головного мозга анализируется и оценивается не вся поступающая информация, а наиболее важная. Информация, полу­чаемая из внешней и внутренней среды, определяет работу функциональных систем организма и поведение человека.

Для управления поведением человека и активностью его функциональных систем (т. е. выходной информацией, поступающей из коры больших полушарий) достаточно около бит/с при подключении программ, содержащихся в памяти. В табл. 2.1 приведены максимальные скорости передачи информации, принимаемой человеком с помощью различных органов чувств и подводимой к коре больших полушарий.

Таблица 2.1

Характеристика органов чувств по скорости передачи информации

Воспринимаемый сигнал	Характеристика	Максимальная скорость, бит/с
Зрительный	Длина линии	3,25
	Цвет	3,1
	Яркость	3.3
Слуховой	Громкость	2,3
	Высота тона	2,5
Вкусовой	Соленость	1,3
Обонятельный	Интенсивность	1,53
Тактильный	Интенсивность	2,0
	Продолжительность	2,3
	Расположение на теле	2,8

Помимо сенсорных в организме функционируют другие системы, которые или морфологически (структурно) отчетливо оформлены (кровообращения, пищеварения), или являются функциональными (терморегуляции, иммунологической зашиты). В таких системах существует автономная регуляция и их можно рассматривать как самостоятельные, саморегулирующие замкнутые цепи, имеющие собственную обратную связь.

Между всеми системами организма существуют взаимосвязи, и организм человека в функциональном отношении представляет собой единое целое. Одна из важнейших функциональных систем организма — нервная система, она связывает между собой различные системы и части организма.

Нервная система имеет обширное взаимодействие центральных и периферических образований, включая различные анатомические структуры, комбинации гуморальных веществ (ферментов, белков, витаминов, микроэлементов и др.), объединенных взаимозависимостью и участием в приспособительных реакциях организма. Нервная система человека подразделяется на центральную нервную систему (ЦНС), включающую головной и спинной мозг, и периферическую (ПНС), которую составляют нервные волокна и узлы, лежащие вне ЦНС.

По морфологическим признакам ЦНС представляет собой совокупность нервных клеток (нейронов), специализирующихся на переработке информации, и отходящих от них отростков. В этой совокупности клеточных тел, находящихся в черепной коробке и позвоночном канале, происходит переработка информации, которая поступает по нервным волокнам и исходит от них к исполнительным органам.

Периферическая нервная система осуществляет связь ЦНС с кожей, мышцами и внутренними органами. ЦНС условно подразделяют на соматическую и вегетативную. Периферические нервные волокна, связывающие ЦНС с кожей и слизистыми оболочками, мышцами, сухожилиями и связками, относятся к соматической нервной системе (СНС). Нервные волокна, связывающие ЦНС с внутренними органами, кровеносными сосудами, железами, принадлежат к вегетативной нервной системе (ВНС). В отличие от соматической вегетативная система обладает определенной самостоятельностью и потому ее называют автономной.

На основе структурно-функциональных свойств вегетативную нервную систему подразделяют на симпатическую и парасимпатическую, которые оказывают антагонистическое действие на органы. Например, симпатическая нервная система расширяет зрачок, вызывает учащение пульса и повышение кровяного давления; парасимпатическая система сужает зрачок, замедляет сердечно-сосудистую деятельность, снижает кровяное давление.

Нервная система функционирует по принципу рефлекса. Рефлексом называют любую ответную реакцию организма на раздражение из окружающей или внутренней среды, осуществляющуюся с участием ЦНС.

Путь нервного импульса от воспринимающего нервного образования (рецептора) через ЦНС до окончания в действующем органе (эффекторе) называется рефлекторной дугой. В случаях экстремального воздействия на организм нервная система формирует защитно-приспособительные реакции, определяет соотношение воздействующего и защитного эффектов.

Человек постоянно приспосабливается к изменяющимся условиям окружающей среды благодаря гомеостазу - универсальному свойству сохранять и поддерживать стабильность работы различных систем организма в ответ на воздействия, нарушающие эту стабильность.

Гомеостаз - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма.

Любые физиологические, физические, химические или эмоциональные воздействия, будь то температура воздуха, изменение атмосферного давления или волнение, радость, печаль могут быть поводом к выходу организма из состояния динамического равновесия. Автоматически, на основе единства гуморальных и нервных механизмов регуляции осуществляется само-регуляция физиологических функций, обеспечивающая поддержание жизнедеятельности организма на постоянном уровне. При малых уровнях воздействия раздражителя человек просто воспринимает информацию, поступающую извне. Он видит окружающий мир, слышит его звуки, вдыхает аромат различных запахов, осязает и использует в своих целях воздействие многих факторов. При высоких уровнях воздействия проявляются нежелательные биологические эффекты. Компенсация изменений факторов среды обитания оказывается возможной благодаря активации систем, ответственных за адаптацию (приспособление).

Защитные приспособительные реакции имеют три стадии: нормальная физиологическая реакция (гомеостаз); нормальные адаптационные изменения; патофизиологические адаптационные изменения с вовлечением в процесс анатомо-морфологических структур (структурные изменения на клеточно-тканевом уровне).

Гомеостаз и адаптация - два конечных результата, организующих функциональные системы.

Вмешательство внешних механизмов в состояние гомеостаза приводит к адаптивной перестройке, в результате которой одна или несколько функциональных систем организма компенсируют дискоординацию для восстановления равновесия. Вначале происходит мобилизация функциональной системы, адекватной к данному раздражителю, затем на фоне некоторого снижения резервных возможностей организма включается система специфической адаптации и обеспечивается необходимое повышение функциональной активности организма. В безвыходных ситуациях, когда раздражитель чрезмерно силен, эффективная адаптация не формируется и сохраняется нарушение гомеостаза; стимулируемый этими нарушениями стресс достигает чрезвычайной интенсивности и длительности; в такой ситуации возможно развитие заболеваний.

В процессе трудовой деятельности человек расплачивается за адаптацию к производственным факторам. Расплата за эффективный труд или оптимальный результат трудовой деятельности носит название «цена адаптации», причем нередко расплата формируется в виде перенапряжения или длительного снижения функциональной активности механизмов нервной регуляции как наиболее легко ранимых и ответственных за постоянство внутренней среды.

Системы обеспечения безопасности организма. В организме человека функционирует ряд систем обеспечения безопасности. К ним относятся глаза, уши, нос, костно-мышечная система, кожа, система иммунной защиты. Например, глаза имеют веки — две кожно-мышечные складки, закрывающие глазное яблоко при смыкании. Веки несут функцию защиты глазного яблока, предохраняя орган зрения от чрезмерного светового потока и механического повреждения, способствуют увлажнению его поверхности и удалению со слезой инородных тел. Уши при чрезмерно громких звуках обеспечивают защитную реакцию: две самые маленькие мышцы среднего уха резко сокращаются и три самых маленьких косточки (молоточек, наковальня и стремячко) перестают колебаться, наступает блокировка и система косточек не пропускает во внутреннее ухо чрезмерно сильных звуковых колебаний.

Чихание относится к группе защитных реакций и представляет собой форсированный выдох через нос (при кашле - форсированный выдох через рот). Благодаря высокой скорости воздушная струя уносит из полости носа попавшие туда инородные тела и раздражающие агенты.

Слезотечение возникает при попадании раздражающих веществ на слизистую оболочку верхних дыхательных путей: носа, носоглотки, трахеи и бронхов. Слеза выделяется не только наружу, но и попадает через слезоносный канал в полость носа, смывая тем самым раздражающее вещество (поэтому «хлюпают» носом при плаче).

Боль возникает при нарушении нормального течения физиологических процессов в организме вследствие воздействия вредных факторов. Субъективно человек воспринимает боль как тягостное, гнетущее ощущение. Объективно боль сопровождается некоторыми вегетативными реакциями (расширением зрачков, повышением кровяного давления, бледностью кожных покровов лица и др.). Характер болевых ощущений зависит от особенностей конкретного органа и силы разрушительного воздействия. Например, боль при повреждении кожи отличается от головной боли, при травме нервных стволов возникает жгучее болевое ощущение — каузалгия. Болевое ощущение как защитная реакция нередко указывает на локализацию процесса. В зависимости от локализации различают два типа симптоматических болевых ощущений: висцеральные и соматические. Висцеральные боли появляются при заболевании или травме внутренних органов (сердца, желудка, печени, почек и др.); для них характерно сильное болевое ощущение и широкая иррадиация, возможна «отраженная боль», которая ощущается далеко от проекции пораженного органа, иногда в другой части тела. Соматические боли возникают при патологиче­ских процессах в коже, костях, мышцах, они локализованы и наиболее отчетливо выполняют функцию естественной защиты информационным способом.

Еще один пример естественной системы защиты - движение. Активное движение нередко приглушает душевную и физическую боль. Это механизм бдительно стоит на страже нервного благополучия, готовый в случае надобности предохра­нить мозг от слишком большого горя и слишком большой радости.

В организме человека функционирует система иммунной защиты. Иммунитет - это свойство организма, обеспечивающее его устойчивость к действию чужеродных белков, болезнетворных (патогенных) микробов и их ядовитых продуктов.

Различают естественный и приобретенный иммунитет. Естественный, или врожденный иммунитет - это видовой признак, передающийся по наследству (например, люди не заражаются чумой рогатого скота). Если микробы все-таки проникли в организм, их распространение задерживается благодаря развивающейся реакции воспаления. Печень, селезенка, лимфатические узлы также способны задерживать и частично обезвреживать продукты деятельности микробов.

Значительная роль в иммунитете принадлежит специфическим защитным факторам сыворотки крови - антителам, которые накапливаются в сыворотке после перенесенного заболевания, а также после искусственной иммунизации (прививок).

В процессе активной иммунизации изменяется чувствительность организма к повторному введению соответствующего антигена, т. е. изменяется иммунореактивность организма в форме повышения или понижения чувствительности отдельных органов и тканей к микробам, ядам или другим антигенам. Изменение иммунореактивности не всегда полезно для организма: при повышении чувствительности к какому-нибудь антигену могут развиться аллергические заболевания. Иммунологическая реактивность существенно зависит от возраста: у новорожденных она резко снижена, у пожилых развита слабее, чем у лиц среднего возраста.