听觉显示器设计.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第,四,章,听觉显示器设计中的人因素,第一节 听觉基本特性,一、声音的特性,听觉的适宜刺激是声波。,声音的基本参数是,振幅、频率和波形,（或能量分布），在听觉上对应,响度、音高和音色,。,二、听觉感受性,人耳是非常灵敏的感觉器官。,健康人耳的可听声频率范围约,2020,000Hz,健康人耳的可听最弱声音为,20,微帕,（参照声压，,p,0,）,，人能承受的最大声压可高于,20,微帕的一百万倍以上，范围惊人地巨大。因此，对声音强度的测量一般采用,分贝制,。,声压级,L,p,的计算公式为,：,L,p,=20*lg(p/p,0,),响,度,与,声压、频率,之间的关系,响度感觉主要取决于声压值，但实际上还受到频率的影响。,响度感觉的度量可以用,“宋”,来表示，,1,宋等于声压级,40,分贝时,1000Hz,的纯音,的声音响度，,2,宋就是,1,宋两倍的响度。,1,宋,=40,方,下页图中的曲线表示，要达到最小听觉阈限，不同频率的纯音需要达到的声压值。,人的可听曲线,三、声音掩蔽,人总是在一定噪声环境中接收声音信号的，这种情况中将发生声音掩蔽效应，即,环境中一个声音成分使得人耳对另一个声音成分的感受性降低的现象,。,掩蔽效应的度量：用掩蔽声引起被掩蔽声觉察阈的偏移量来表示。,纯音掩蔽的趋势,低音容易掩蔽高音，高音难以掩蔽低音,当信号与噪声,（都是纯音）,频率接近时，将出现,拍音,现象，使,掩蔽减小。,窄带噪音的掩蔽现象与纯音相似，只不过没有拍音现象；,宽带噪音（或白噪音）对纯音的掩蔽随噪音强度的增加而近似线性的增高。,掩蔽声的强度越大，掩蔽的频率范围越广。,声音掩蔽的基本规律,在宁静的环境中，纯音信号应高于绝对阈限,40-20,分贝才能为人所觉察。,人对纯音信号的检测效率随信号频率和持续时间的不同而异。,低频信号较高频信号受噪声掩蔽程度轻。,声音信号的持续时间，在一定的范围（约,200-500,毫秒）可以与信号强度互相补偿。,当持续时间短于,200,毫秒时，人感觉到的主观响度明显下降；,11,/81,声音掩蔽的基本规律,当持续时间超过几秒时，响度感觉不再提高，一般认为纯音的持续时间不宜短于,300,毫秒。,信号最佳水平落在声音掩蔽条件下测得的信号检测阈限至阈限以上,110,分贝的范围内。,菲德乐的研究发现，在,1/3,倍频带中，人的效绩是信噪比的函数。增加该频带的信号强度或降低该频带的噪声强度对提高检测信号的效绩具有重要作用。,四、听觉的其它特性,听觉的,时间特性,（即人耳不能立即对声音做出反应）也十分重要。,人耳需要花,0.20.3,秒的来“形成”声音，宽带声音的形成更快些；,声音的衰减也需要时间，约,0.14,秒,;,因此听觉信号必须持续一定的时间才能收听到。,四、听觉的其它特性,作为听觉信号，声音必须是,可辨认,的。,相对辨认,：紧密地相继呈现的两个或多个声音信号作出区分。,绝对辨认,：信号单独呈现时对它作出辨认。,1,、信号的相对辩认,对声音相对辩认的效绩主要取决于人对声音信号的,强度和频率差别,的辨别能力。,一般要求作强度辨别的纯音信号的信号强度至少要高于绝对阈限,60,分贝（,A,），频率范围以,1000-4000,赫兹为宜。,需作频率辨别的纯音信号，信号强度应高于阈限,30,分贝（,A,）以上，频率宜在,500-1000,赫兹范围内。,15,/81,2,、信号的绝对辩认,人的绝对辨认能力远低于相对辨认能力。,对于纯音强度和纯音频率，人能正确绝对辨认的刺激数分别为,5,个和,7,个。,多维编码可提高听觉编码数目,。,波拉克对听觉信号的方向、频率、强度、重复速度、中断时间和持续时间等维度的组合进行了研究。,结果表明，对于相等的代码数目，使用多维度、少等级（例如用八个维度，每个维度采用两个等级）的多维码方案，比少维度、多等级（例如用四个维度，每个维度采用四个等级）的方案更为有效。,16,/81,第二节 听觉显示器的使用设计,听觉显示器的使用范围？,要求使用者立即行动，收听者明确知道声音的意义；,指示某一特殊时刻某事发生或即将发生；,需要快速双向信息交换；,一、什么是听觉显示器,听觉显示器是人机系统中利用听觉通道向人传递信息的装置。,按其所显示信息的特点可分为,言语,听觉显示器,声音,听觉显示器,18,/81,基于电话的用户界面,目前电话银行和各种自动语音服务使用了很多的基于电话的用户界面。,手机等移动设备的听觉用户界面是当前的一个研究热点。创建可用的基于电话的用户界面,（TBI）,需要设计师充分利用在这种类型界面中占优势的声音通道。考虑在基于电话的用户界面使用非语音声音之前，首要工作包括在这类用户界面中应用已有的设计指南。这样才能有一个坚实的基础，利用各种非语音声音来增强交互的效果。,19,/81,常见的听觉显示器,常见的听觉显示器有广播、电话、耳机、蜂鸣器、汽笛、哨子、号角和扬声器等。,最典型的是：手机铃声，短信铃声。,20,/81,盲人如何上网？,盲用计算机预装有能够“读电脑”的盲用语音软件清晰的语音读屏系统，应用先进的语音合成技术，可以准确“读”出计算机屏幕信息；准确的鼠标位置语音判断功能，可以读出鼠标的位置、点击的图标的名称和网页上的文字。,6,点式盲文标注的键盘，可以帮助盲人凭借触觉直观地感觉出键位，盲文键盘顶部设置的快捷键还简化了操作。,21,/81,听觉信号的特点,声音可以向四周传播；,声音信息可以传递的较远；,声音可以绕道和穿透烟雾的性能，可在雾天、雨天、有阻挡物等不利条件下传播；,听觉信号具有强迫注意的特点。,所以特别适合传递告警信息。它也可用于导航，追踪等较为复杂的 传信工作，效果并不比视觉信号差。（,GPRS,语音导航）,22,/81,什么时候需要听觉显示器,（,1,）信号源本身是声音；,（,2,）视觉通道负荷过重。在许多作 业中，操作者的视觉负担往往过重，倘若能用听觉通道传递一部分信息，那么可以减轻视觉负担而有利于提高工作效率。,（,3,）视觉观察条件,(,如照明或观察位置,),受限。,（,4,）信号需要及时处理，并立即采取行动（警用对讲机、运动场上）。,23,/81,什么时候需要听觉显示器,（,5,）消息是简短的；,（,6,）消息涉及时间上的事件；,（,7,）工作要求操作员四处走动,（,8,）工作中可能出现诸如振动引起视力下降、高过载力，缺氧等应激条件。,24,/81,二、听觉信号的设计原则,听觉刺激所代表的意义一般应与人们已经学得的或自然的联系相一致。,例如尖哨声应同紧急情况相联系，高频声音同“向上”或“高速”相联系。,选用的信号应尽量避免与以前使用过的信号相矛盾。,在用新的听觉信号代替旧的信号系统（如视觉信号系统）时，可将两种信号系统同时并用一段时间，以帮助人们对新的听觉信号形成习惯。,25,/81,二、听觉信号的设计原则,2.,尽量使用,间歇的或变化的声音信号,，避免使用连续稳态信号。,3.,采用声音的强度、频率、持续时间等维度作信息代码时，应,避免使用极端值,。代码数目不应超过使用者的绝对辨别能力。,26,/81,二、听觉信号的设计原则,听觉信号的强度应相对高于背景噪声的水平，以防止产生声音掩蔽效应。,5.,使用两个或两个以上听觉信号时，各信号之间应有明显差别，并且相同信号在所有时间里应代表同样的意义。,27,/81,二、听觉信号的设计原则,6.,对必须同时呈现的信号应将其声源的空间位置分离，或按其对系统的重要程度提供优先注意的指示。,选用的信号与以前使用过的信号在意义上不相矛盾。,对不同场合使用的听觉信号应尽可能标准化。,28,/81,第三节,听觉告警信号的设计,阿达姆斯和特拉克斯在五种不同的噪声环境中测定了尖哨声、短促的尖叫声、高喊声、“唷”声、间断的号角等八种不同的告警信号的反应时,.,结果表明：“唷”声（在,1.4,秒内，频率从,800,赫兹下降到,100,赫兹）和喇叭“嘟嘟”声（间断喇叭，频率,425,赫兹，响,0.7,秒，停,0.6,秒）的反应时最短，尖哨声（在,3.8,秒时间内，频率从,400,赫兹逐渐提高到,925,赫兹）的反应时最长。反应时随信号强度的提高而缩短。,信号的强度与平均反应时的关系,反应时随信号强度的提高而缩短。,29,/81,一、告警信号的分级,一般告警信号分为三级：,警告：,已经出现了危险,及安全状况，需要操作人员立即知道并采取措施。,注意：,将要出现危险,状况或某系统设备故障，但不必立即采取措施。,提示：需要提醒操作人员,重视,的某些系统设备的安全或正常工作状态、性能状况以及进行,例行,操作。,如何增加信号在噪音下的可侦察度,为增加信号在噪音下的可侦检度，可采用如下的方法：,过滤,：,如噪音的主要频率与信号者不同，可透过过滤装置将部分噪音去掉，如此具有增加,S/N,（,信,噪比）的效应。,在某些情况下，人类的中枢神经系统也具有过滤噪音的功能,，,只是其机制尚不明了。,例如，让噪音出现在双耳，但信号仅出现在单耳，会增加可侦检度。,如何增加信号在噪音下的侦察度,减少在信号频率附近的频率区域,(,即,临界带宽,),的噪音强度。,增加信号的强度。,信号持续呈现,0.5,1,秒,。,将信号频率改变到噪音强度较弱的频率区域。,改变信号的相位,(phase-shift),，把未转控的信号和已转控的信号分别传送到不同的耳朵。,二、听觉告警信号的设计要求,（一）信号的性质,听觉告警信号包含两种成分：,警觉信号：即主告警信号，采用,音调信号,，功能主要是吸引注意并提供紧急等级的初步信息。,持续时间,0.5,秒,识别或动作信号：提供问题部位和性质的信息，引导操作人员采取矫正动作，采用,语音信号,。,识别与警觉,信号之间应间隔,0.150.5,秒,二、听觉告警信号的设计要求,（一）信号的性质,如果不同的警告信号,用以代表要求做出不同反应的不同状况，则彼此之间应易于区,辨,，并且应使用强度适度的信号。,尽可能利用与平常不同的别的传播系统来呈现警告，例如扩音器、喇叭等。,二、听觉告警信号的设计要求,（二）信号频率,使用的频率可在,200,5,000Hz,之间，但最好在,500,3,000 Hz,之間,，因为耳朵对中频率的敏感度最佳。,如果,必须传送较远的距离时,(,超过,300,米,),，使用的频率要低,於,1,000Hz,，因为高频率的音声难以做远距离的传送。,如果信号必须绕过较大障碍或穿墙越,壁，则应使用,500Hz,以下的频率。,二、听觉告警信号的设计要求,（二）信号频率,使用,调变信号,(,如,每秒,1,至,8,次的哔哔声，或每秒,1,至,3,次的啭鸣声,),，因为它与寻常声音的差异，足以引起注意。,信号的频率要与背景噪音的主要频率,有所不同,，以减少掩蔽作用。,二、听觉告警信号的设计要求,（三）信号强度,信号强度应,高于绝对阈,60,分贝以上,；但信号也不能过分强而引起不舒适感或出现耳鸣后效。,在噪声环境中，应高与,掩蔽阈,8,+,3,分贝,；,如果噪音随着任务阶段发生变化，应采用,自动增益,控制来保持适宜的信噪比。,如果周围噪声使告警信号达到引起痛觉或使听力受损的强度水平，则应使用,耳机,。,二、听觉告警信号的设计要求,（四）信号可辨性,不同特征的使用：要用,几种不同的音调信号对不同类型的条件告警，那么,要辨认的音调信号数目不应超过,4,个,。,编码：关键场合应对不同的信号进行编码，以便操作人员快速反应。,关键信号：这种信号的,前,0.5,秒,应该与其它信号,有明显不同,。,禁用的信号类型：与啸音、断续音、周期性脉冲等相似的声音不可用于信号。,二、听觉告警信号的设计要求,（五）信号源位置,告警信号应采用双耳呈现法；如需用单耳机，应将耳机待在听力较好的耳朵上。,告警信号的声音在感知上至少应与对抗声源间隔,90,；,当信号源不能定位时应使用宽带信号。,二、听觉告警信号的设计要求,（六）掩蔽,告警信号不应干扰任何其它关键的功能或告警信号，或掩蔽任何其它关键的信号。,如果无法做到不掩蔽，则可以通过不同耳机通道传送不同信号的方式。,二、听觉告警信号的设计要求,（七）操作人员控制,所有告警系统应具有测试按键、开关或任何时间核实信号声音状况的其它方法。,无论将听觉告警信号设置为自动终止还是手动终止，都应提供自动复位功能,并由传感机构控制,。,告警音量控制器的开关应使音量不能下调至不可听的水平。,二、听觉告警信号的设计要求,（八）告警系统可靠性,听觉告警信号的设计应将任何虚警（,false alarm,）的可能性减至最小。,告警系统的电路应独立于主系统。,听觉显示设备的特殊用途,无线电波传讯：,例：,A(,短音,-,长音,),航道偏左；,(,长音,-,短音,),航道偏右；航道正中,(,连续短音,),。,盲人的行动助具：,无障碍指示器,(clear-path indicators),：,提供盲人可否通行的信号，指示路线上有无障碍。,环境传感器,(environmental sensors),：,协助盲人建构其所面临的环境之图像。,第五章,触觉与嗅觉显示设备,触觉显示设备,嗅觉显示设备,5.1,触觉显示设备,触觉显示设备 的,主要用途,替代听觉,(,尤其作为聋人助具,方面,),替代视觉,(,尤其作为盲人助具方面,),。,触觉显示设备大多用以替代视觉机能,-,作为眼睛的延伸。,将手机调成振动时,5.1,触觉显示设备,与其他感觉相比较，触觉通常较适用于数目有限的间断性刺激的传送。,触觉显示设备不可能成为常用器具，但至少在下列两种状况，其发展乃颇为合适：,视觉及听觉系统都已负荷过重；,用作盲人生活与工作的助具。,5.2,嗅觉显示设备,嗅觉有如下特色：,嗅觉受纳细胞直接与脑皮质的嗅觉区连接，,所以,其通路是所有感觉系统中最短者,。,人类的嗅觉能力并不突出。以脑皮质嗅觉区来说，在鱼类几占整个脑半球，而狗类约占,1/3,，人类却只有,1/20,。,嗅觉灵敏度的个别差异很大。,47,/81,48,/81,5.2,嗅觉显示设备,训练对于嗅觉能力的增进大有效果,，对未受过训练的一般人约可分辨,15,至,32,种普通刺激，但经过训练后，有人可无误地识别出,60,种以上的刺激物,(,Desor,and Beauchamp,194),。,如果只靠强度或浓度来识别，人约,仅能区分出,3,至,4,种不同浓度,(,Engen,1982),。,5.2,嗅觉显示设备,虽然对于许多气味中的某一特定刺激之,识别不太可靠,，,但在是否有气味存在的侦检上却相当有效；极微量的气味,，例如,10000,公升的空气中含有少至,0.5ml,的乙硫醇,(,一种臭鼬鼠昧,),即可被察觉。,嗅觉具有适应,性,，所谓入芝兰之室久而不闻其香。,身体不适时,(,如感冒鼻塞,),，嗅觉的敏感度会降低。,有人会对某些,气味过敏,。,5.2,嗅觉显示设备,嗅觉显示设备,(olfactory display),的实际应用并不多；在有限的应用上，主要作为警告装置,。,例如将某些气味添加在天然瓦斯里，来通知瓦斯泄漏出来。,Sanders,提及他曾在某计算机室看到如下告示：,一见红灯闪亮或闻到白珠树油香，请立即撤离本大楼。,在美国有一些地下矿坑使用某种臭气系统作为紧急情况时，通告矿工撤离矿坑的信号。,