Характеристики анализаторов человека

Мы познакомились с важнейшими общими характеристиками анализаторов, такими как пороги чувствительности, порог различения, или дифференциальный порог. Рассмотрим подробнее отдельные виды анализаторов.

Зрительный анализатор. Зрение имеет для человека первостепенное значение. Зрительный анализатор позволяет получить представление о предмете, его цвете, форме, величине, о том, находится ли предмет в движении или покое, о расстоянии его от нас, потенциальной опасности, которую он несет.

Зрительное восприятие начинается с фотохимического процесса. Под влиянием света, вещества, находящиеся между наружным слоем сетчатки и сосудистой оболочкой, разлагаются, возбуждая окончания нервных элементов глаза. При этом в соответствующей зоне головного мозга возникает зрительный образ. Кора мозга синтезирует детали зрительного акта и определяет наше отношение к зрительному образу.

Зрительный анализатор человека воспринимает электромагнитное излучение с длиною волн в диапазоне от 0,38 мкм до 0,76 мкм.

Непосредственно наш глаз реагирует на яркость, которая представляет отношение силы света (измеряемой в канделах – кд), излучаемой данной поверхностью, к площади этой поверхности. Яркость, таким образом, измеряется в кд/м². При очень больших яркостях (более 30000 кд/м²) возникает эффект ослепления. Гигиенически приемлема яркость до 5000 кд/м².

Рис.3. Спектральная чувствительность глаза

Важнейшими характеристиками зрительного анализатора являются световая, контрастная и цветовая чувствительности.

Световая чувствительность. Световая чувствительность различна для различных областей видимого спектра и принимается за единицу при длине волны равной 0,555 мкм. Диапазон чувствительности по яркости весьма велик. Так, нижний порог чувствительности соответствует всего нескольким квантам света, а верхний, при котором создается эффект ослепленности, равен приблизительно 3×10⁴ кд/м² .

Контрастная чувствительность определяет степень воспринимаемого различия между двумя яркостями, разделенными в пространстве или времени, т.е. позволяет ответить на вопрос, насколько объект должен отличаться по яркости от фона, чтобы его было видно. Контрастная чувствительность зависит от яркости фона, площади сигнала, его длительности.

Цветовая чувствительность. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. Оптический анализатор включает два типа рецепторов: колбочки и палочки. Первые являются аппаратами хроматического (цветового) зрения, вторые – ахроматического (черно-белого). При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущается как различия в цвете источников света или поверхностей предметов, которые его отражают. Зрительный анализатор обладает определенной спектральной чувствительностью, которая характеризуется относительной видимостью монохроматического излучения, большая видимость днем соответствует желто-оранжевой части спектра, а ночью или в сумерках - зелено-голубой. Спектральная чувствительность человеческого глаза показана на рис. 3.

При длине волны 0,555 мкм достигается, таким образом, максимум чувствительности зрительного анализатора. Эта особенность зрения учитывается при проектировании средств обеспечения безопасности или предметов, которые должны легко обнаруживаться (например, одежда дорожных рабочих, костюм космонавта, «черный ящик» самолета).

Острота зрения. 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. С увеличением освещенности, острота зрения возрастает. При уменьшении контрастности острота зрения снижается. Острота зрения зависит также от места проекции изображения на сетчатке глаза.

Инерция зрения. Ощущение, вызванное световым сигналом, в течение определенного времени сохраняется, несмотря на исчезновение сигнала или изменение его характеристик, в течение 0,1 - 0,2 с. Известно, что при действии прерывистого светового раздражителя возникает ощущение мельканий. Из—а инерционных свойств зрения эти мелькания при определенной частоте сливаются в ровный немигающий свет. Частота, при которой мелькания исчезают, называется критической частотой слияния мельканий. В том случае, когда мелькания света используются в качестве сигнала, оптимальной частотой является частота в пределах 3-10 Гц. Инерция зрения, кроме того, обусловливает стробоскопический эффект. Он заключается в следующем: если время, разделяющее дискретные акты наблюдения, меньше времени сохранения зрительного образа (0,1 – 0,2с), то наблюдение субъективно ощущается как непрерывное. При этом возникает, например, иллюзия движения при прерывистом наблюдении отдельных объектов или иллюзия неподвижности (замедление движения), возникающая, когда движущийся предмет периодически занимает прежнее положение. В частности, при освещении пульсирующим светом вращающиеся части оборудования казаться неподвижными и представлять опасность для человека.

Поле зрения. При восприятии объектов в двухмерном и трехмерном пространстве различают поле зрения и глубинное зрение. Бинокулярное поле зрения охватывает в горизонтальном направлении 120-160°, вертикали вверх - 55-60° и вниз - 65-72°. При восприятии цвета размеры поля зрения снижаются. Зона оптимальной видимости ограничена полем: вверх - 25°, вниз - 35°, вправо - °, влево по 32°. Глубинное зрение связано с восприятием пространства. Так ошибка оценки абсолютной удаленности на расстоянии до 30м составляет в среднем 12% общего расстояния.

Слуховой анализатор. Значительная часть информации об окружающей среде, в том числе о различных опасностях, поступает к человеку в виде звуковых сигналов. Как известно, звук – это колебания упругой среды, звуковая волна распространяется в воздухе, в воде, в твердых телах и является носителем энергии, которую называют силой звука или интенсивностью J . Основными параметрами звуковых сигналов являются, таким образом, интенсивность и частота, которые субъективно в слуховых ощущениях воспринимаются как громкость и высота. Но орган слуха (слуховой рецептор) воспринимает среднеквадратичное звуковое давление - т.е. звуковое давление, усредненное по времени Т₀. Для органа слуха человека время усреднения Т₀ составляет 30 ¸ 100 мс. Звуковое давление связано с интенсивностью звука зависимостью

J = ,

где r - плотность воздуха, с - скорость звука в воздухе.

Пороги чувствительности. Нижний порог (порог слышимости) зависит от частоты ощущаемых звуков. На так называемой эталонной частоте 1000 Гц порог слышимости составляет около 2×10^-5 Па. Верхним порогом является порог болевого ощущения, который составляет около 10⁵ Па. Соотношение интенсивности и частоты определяет ощущение громкости звука. Человек оценивает как одинаково громкие звуки, имеющие различную частоту и интенсивность, что иллюстрируется кривыми равной громкости, приведенными на рис.4. По оси абсцисс отложены значения частот f в герцах (Гц), по оси ординат – уровни звукового давления в децибелах (см. ниже).

Дифференциальный порог. Абсолютный дифференциальный порог (порог различения частот) равен примерно 2-3 Гц. Относительный дифференциальный порог является почти постоянным и равен 0,002. Максимальная чувствительность слухового анализатора лежит в диапазоне частот 3..5 кГц (см. рис. 5).

Рис. 4. Кривые равной громкости

Рис. 5. Кривая чувствительности S слухового анализатора

Выше было сказано, что чувствительность слухового анализатора по звуковому давлению лежит в диапазоне 2×10^-5 Па… 10⁵ Па. Интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости ~10^-12. Работать с такими единицами неудобно. Для практических целей были введены понятие логарифмического уровня и специальная единица «Бел» (в честь Белла - изобретатель телефона).

Уровень интенсивности

L_J = lg ,

где J₀ - нижний порог чувствительности по интенсивности звука.

Бел – довольно крупная единица. Весь воспринимаемый диапазон звуков укладывается всего в 13-14 Б, поэтому на практике используется в 10 раз меньшая единица - «децибел» [дБ].

Можно записать подобное выражение и для звукового давления, подставив в формулу выражение для интенсивности. Тогда мы получим величину, которую называют уровнем звукового давления:

, (1.4.9)

где Р₀ - порог слышимости, равный 2×10^-5 Па (на частоте 1000 Гц).

Кожная чувствительность.

Кожная чувствительность как средство защиты имеет огромное значение, она обычно разделяется на три вида:

· Ощущение прикосновения и давления (тактильная чувствительность);

· ощущение тепла и холода;

ощущение боли.

Тактильный анализатор. Тактильный анализатор воспринимает ощущения, возникающие при действии на кожную поверхность различных механических стимулов (прикосновение, давление). Абсолютный порог тактильной чувствительности определяется по тому минимальному давлению предмета на кожную поверхность, которое производит едва заметное ощущение прикосновения.

Пороги ощущения приблизительно составляют:

- для кончиков пальцев руки 3 г/мм², на тыльной стороне пальца - 5 г/мм², на тыльной стороне кисти - 12 г/мм², на животе - 26 г/мм² и на пятке - 250 г/мм². Порог различения в среднем равен примерно 0,07 от исходной величины давления.

Тактильный анализатор обладает высокой способностью к пространственной локализации. Временный порог тактильной чувствительности менее 0,1 с. Характерной особенностью тактильного анализатора является быстрое развитие адаптации, т.е. исчезновение чувства прикосновения или давления. Время адаптации зависит от силы раздражителя для различных участков тела изменяется в пределах от 2 до 20 с.

Температурная чувствительность. Температурная чувствительность свойственна всем организмам, обладающим постоянной температурой тела. Температура кожи несколько ниже температуры тела и различна для отдельных участков на лбу, например, 34-35°С; на стопах ног 25 - 27°С. Средняя температура свободных от одежды участков кожи равна 30 – 32.

В коже человека обнаружено два рода 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 мм², лучевом - начиная с 700 мм². Латентный, т.е. скрытый период температурного ощущения (инерция ощущения) равен примерно 250 мс. Абсолютный порог температурной области чувствительности определяется по минимальному ощущаемому изменению температуры участков кожи относительно логического нуля, т.е. собственной температуры данной области кожи. Для тепловых рецепторов он равен примерно 0,2°С, для холодных 0,4°С. Порог различения, или дифференциальный порог составляет примерно 1°С.

Болевая чувствительность. Боль часто является единственным сигналом, предупреждающим о внешней опасности или неблагополучии в состоянии какого-либо органа человека. Обычно случайное прикосновение к острым, горячим или холодным предметам, способным разрушить кожный покров сопровождается непроизвольным рефлекторным движением - «от опасности». Благодаря такой защите, являющейся предохранительной реакцией на получаемое извне раздражение, человек во многих случаях своевременно оценивает грозящую ему опасность ожога, ранения и т.д. и принимает соответствующие меры безопасности.

Ранее считалось, что не существует специальных рецепторов болевой чувствительности, поскольку в любом анализаторе возникают болевые ощущения, если величина раздражителя превысит верхний абсолютный порог. Однако впоследствии были обнаружены свободные нервные окончания в эпителиальном слое кожи, которые оказались специализированными болевыми 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.

Биологический смысл боли 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.

Порог болевой чувствительности кожи живота 20 г/мм², кончиков пальцев - 300 г/мм², латентный период ощущения боли - около 370 мс. Критическая частота слияния дискретных болевых раздражителей 3 Гц. В области боли наблюдается почти прямая зависимость между ощущением и раздражителем.

Следует иметь в виду, что защитная роль боли кончается после того, как она отмечена сознанием. В дальнейшем, например, при тяжелой множественной травме боль лишь осложняет деятельность организма по самовосстановлению повреждения, а в некоторых случаях является опасной в отношении так называемого «болевого шока».

Обоняние.Запахи воспринимаются человеком при помощи специальных рецепторов (клеток, находящихся в слизистой оболочке носовых раковин). У человека около 60 миллионов обонятельных клеток, размещенных в слизистой оболочке средней части носовых раковин поверхности всего на пяти квадратных сантиметров. Однако в связи с тем, что обонятельные клетки покрыты огромным количеством ресничек, площадь их соприкосновения с пахнущими веществами составляет 5 - 7 квадратных метров.

Ощущение запаха возникает, когда частицы вещества попадают на слизистую оболочку обонятельной области и возбуждают обонятельные клетки. Отростки этих клеток, образующие обонятельный нерв, передают возбуждение в центральную нервную систему. Защита от проникновения в организм пахнущих веществ, опасных для жизни и здоровья (эфир, хлороформ, нашатырный спирт и др.), осуществляется рефлекторным замедлением дыхания и его кратковременной остановкой. Характерно, что многие безвредные для организма запахи рефлекторной остановки дыхания не вызывают.

Обоняние является исключительно тонким чувством. По данным физиологических исследований человек ощущает запах некоторых веществ (сероводород, мускус и другие), содержащихся в воздухе, даже тогда, когда химический и спектральный анализы их не обнаруживают.

Особенности обонятельного анализатора, включая его высокую чувствительность к некоторым пахнущим веществам, содержащимся в воздухе, могут служить сигналом, предупреждающим об опасности проникновения различных веществ в производственные помещения, например, в связи с неожиданным нарушением герметичности оборудования, различных газопроводов и т.д. Практически особенности обонятельного анализатора уже используются, например, для предупреждения об опасности отравления и взрыва природного газа, применяемого в качестве топлива на производстве и в быту. С этой целью газ без запаха, но обладающий потенциальной опасностью отравления или взрыва, одорируют (т.е. придают запах) особо пахнущими безвредными веществами. В данном случае восприятие запаха сигнализирует об опасности и необходимости принятия соответствующих мер безопасности.

В перспективе одорация может применяться и для насыщения воздуха производственных помещений тонкими ароматами, например, леса, полей и т.п. Это поможет создать на производстве «эмоциональный климат», способствующий наивысшей производительности труда.

Абсолютный порог обоняния у человека измеряется долями миллиграмма вещества на литр воздуха. Но дифференциальный порог высок, в среднем 38%. Общепризнанной классификации обонятельных ощущений в настоящее время нет.

Вкус. В физиологии и психологии распространена четырехкомпонентная теория вкуса, согласно которой существует четыре вида элементарных вкусовых ощущений: сладкого, горького, кислого и соленого. Все остальные вкусовые ощущения представляют их комбинации. Абсолютные пороги вкусового анализатора, выраженные в величинах концентраций раствора, примерно в 10000 раз выше, чем обонятельного.

Вкусовые и обонятельные ощущения отражают не только свойства веществ, но и состояние самого организма. Различительная чувствительность вкусового анализатора довольно груба, в среднем она составляет 20%.

Под влиянием практической деятельности и специальных знаний чувствительность вкусового и обонятельного анализатора может быть существенно развита.

Обоняние и вкус вместе составляют так называемую органолептическую чувствительность.

Вибрационная чувствительность. Вибрация высокой интенсивности при продолжительном воздействии приводит к серьезным изменениям деятельности всех систем организма и при определенных условиях может вызвать тяжелое заболевание. При небольшой интенсивности и длительности воздействия вибрация может быть полезна, уменьшает утомляемость, повышает обмен веществ, увеличивает мышечную силу.

Специальные анализаторы, воспринимающие вибрацию, неизвестны. Существует несколько гипотез о природе вибрационной чувствительности. Диапазон ощущений вибрации высок от 1 до 10000 Гц. Наиболее высока чувствительность к частоте 200-250 Гц. При их увеличении и уменьшении вибрационная чувствительность снижается. Пороги вибрационной чувствительности различны для различных участков тела. Наибольшей чувствительностью обладают дистальные (удаленные) участки тела человека (например, кисти рук).

Органическая чувствительность.Мозг человека получает информацию не только от окружающей среды, но и от самого организма. Чувствительные нервные аппараты имеются во всех внутренних органах. Во внутренних органах под влиянием внешних условий возникают определенные ощущения, которые порождают сигналы. Эти сигналы являются необходимым условием регуляции деятельности внутренних органов. Пороги органической чувствительности изучены недостаточно.

Перечисленные анализаторы функционируют в сложном взаимодействии. Ядром всего механизма взаимодействия анализаторов является рефлекторный путь: постоянные и временные нервные связи между их мозговыми концами. В процессе развития человека на основе взаимодействия анализаторов формируются функциональные системы, являющиеся механизмом перцептивных (воспринимающих) действий.

Структура этих систем определяется условиями деятельности и жизни человека. Если человек попадает в необычные для него условия, то возможно возникновение конфликта между сложившимися функциональными системами и новыми требованиями. Чтобы предотвратить подобные нарушения, необходимо перестроить сложившиеся функциональные системы. Процесс такой перестройки у разных людей может протекать несколько по-разному в зависимости от особенностей их нервной системы.