運動狀態(tài)對耳機音質(zhì)影響的實驗研究

田 野，章斯宇

（中國傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所，北京 100024）

0 引言

運動耳機指的是廠家在市場營銷中宣傳的一種適合運動時使用的耳機，一般采用耳塞式或掛耳式結(jié)構(gòu)，利用無線藍牙傳輸，具有易佩戴、防水以及續(xù)航能力持久等特點。耳機的聲學(xué)性能通常是在經(jīng)過隔聲處理的室內(nèi)借助人工頭裝置進行測量。耳機的音質(zhì)主觀評價通常是在專業(yè)的聽音室內(nèi)在聽者身體處于靜態(tài)條件下開展聽音實驗。然而，大多數(shù)運動耳機用戶是在走路、跑步以及健身房鍛煉等運動狀態(tài)下使用耳機，運動耳機的實際使用場景與常規(guī)靜態(tài)測試環(huán)境存在較大差異。運動時，身體的動態(tài)因素很可能影響耳機的實際音質(zhì)效果。目前，國內(nèi)外已有研究在不同領(lǐng)域闡述了運動狀態(tài)對聲音播放或聲音感知的潛在影響。例如，Mueller［1-2］、冀飛［3］等人在助聽器領(lǐng)域?qū)χ犉鞯亩露?yīng)進行了詳細(xì)探討，楊勇濤、劉海燕［4-5］等人對運動時個體的注意力和運動時對聽覺反應(yīng)的影響做了相關(guān)研究，丁文君［6］等人進行了入耳式耳機對環(huán)境噪聲影響的實驗。運動狀態(tài)對耳機主觀音質(zhì)的影響目前還少有人研究，本文的研究目的是通過開展運動狀態(tài)下耳機音質(zhì)主觀評價實驗，探究運動狀態(tài)對運動耳機的音質(zhì)影響。

1 實驗設(shè)計

1.1 前期準(zhǔn)備

前期首先開展了千人規(guī)模的問卷調(diào)查，對運動耳機類型、使用時長、使用場景、運動方式、影響音質(zhì)的因素以及對音質(zhì)的預(yù)期等問題進行了廣泛調(diào)研，同時選取了某款運動耳機發(fā)放給58 名有專業(yè)聽音背景的測聽人員進行持續(xù)兩個月的耳機試用評價。調(diào)研和試用評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)用戶偏好入耳式運動耳機，且使用耳機的高頻運動方式包括跑步、走路和騎行。除了對佩戴舒適度有要求，用戶對耳機的音質(zhì)也有較高的預(yù)期。大多數(shù)用戶提出，運動時身體或線材產(chǎn)生的摩擦碰撞聲影響耳機音質(zhì)。基于此，本文選取4 款入耳式運動耳機（具體品牌型號省略，用編號A、B、C、D 表示）作為研究對象，分別考察其在3 類不同運動狀態(tài)下的主觀音質(zhì)效果。

1.2 運動狀態(tài)設(shè)定

前期調(diào)研已確定運動耳機的高頻使用方式包括跑步、走路和騎行。實驗中以速度作為量化指標(biāo)，設(shè)定相應(yīng)的運動強度。參照劉春輝、王歡［7-8］對沒受過專業(yè)訓(xùn)練的普通人員可承受的運動速度的統(tǒng)計結(jié)果，以及運動學(xué)［9］中給出的攝氧量與運動持續(xù)時間的關(guān)系，實驗中走路速度設(shè)定為4.8 km/h。該速度為舒適、正常步速，屬于較低強度的運動，熱身時間1 min 后攝氧量達到穩(wěn)定。騎行的速度設(shè)定為15 km/h，符合正常的騎行速度，屬于中低強度運動，熱身時間1.5 min 后攝氧量達到穩(wěn)定。跑步速度男生為8 km/h，女生為7.2 km/h，屬于高強度運動，熱身時間2 min 后攝氧量達到穩(wěn)定。攝氧量的穩(wěn)定意味著身體的心率等生理指標(biāo)達到相對穩(wěn)定。

在專業(yè)聽音室內(nèi)利用跑步機和騎行機模擬不同的運動狀態(tài)。運動過程中，被試佩戴手環(huán)實時監(jiān)測心率，并設(shè)置充分的休息時間，以防止不同運動狀態(tài)間的相互影響。走路和騎行屬于強度不高的運動，其攝氧量低于最大攝氧量的60%均可長時間活動。跑步屬于高強度運動，其攝氧量在最大攝氧量的80%以上。為了保證實驗順利進行且不受較大影響，跑步實驗分多次進行，這樣被試的疲勞感不強且乳酸對人的影響也很低。

1.3 實驗素材

依據(jù)問卷調(diào)查中出現(xiàn)的運動耳機音質(zhì)的高頻描述詞匯和耳機試用評價所選用的20 組詞匯語義細(xì)分法分析結(jié)果，結(jié)合專業(yè)音響設(shè)備音質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選參數(shù)［10］，實驗最終選擇了6 個音質(zhì)評價詞“豐滿度、明亮度、清晰度、柔和度、力度、平衡感”作為評價指標(biāo)。參照音響產(chǎn)品聽音實驗推薦使用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)目源［11］和作者所在實驗室研究中常用的音質(zhì)評價節(jié)目源，對待測的6 項音質(zhì)指標(biāo)選擇相應(yīng)的實驗曲目，如表1 所示。實驗前被試需提前熟悉節(jié)目源的音樂旋律，并正確理解音質(zhì)評價術(shù)語的定義。

表1 音質(zhì)主觀評價指標(biāo)及對應(yīng)的曲目和時長

1.4 實驗人員

共計20 名被試（10 男10 女）參與了主觀聽音實驗，且所有人員均為受過專業(yè)聽音訓(xùn)練的碩士研究生，年齡在22～25 歲，聽力檢查正常，125 Hz～8 kHz 聽力損失不超過20 dBHL，沒有已知的聽力疾病。實驗前對被試進行必要的訓(xùn)練，熟悉實驗方法和步驟。

1.5 實驗過程步驟

實驗前向被試說明實驗?zāi)康模⒔忉? 項音質(zhì)評價指標(biāo)的含義。實驗采用系列范疇法［12］對6項指標(biāo)分別進行評價，范疇設(shè)有好、較好、一般、較差、差共5 個等級。被試首先在非運動的身體靜態(tài)條件下進行耳機音質(zhì)主觀評價實驗，隨后在運動機械上開展運動狀態(tài)下的主觀聽音實驗。走路熱身時間約1 min，走路狀態(tài)下的單次聽音實驗約持續(xù)9 min，實驗結(jié)束休息5 min 再進入下一次實驗。騎行熱身時間約1.5 min，騎行狀態(tài)下的單次聽音實驗持續(xù)9 min，結(jié)束后休息5 min 再進行下一次實驗。因為跑步的運動強度較高且會有乳酸積累，所以為使被試不過于疲勞且不受乳酸影響，跑步狀態(tài)下的聽音實驗分成3 次進行，即熱身2 min 后做3 min的聽音實驗，休息4 min 后被試生理狀態(tài)達到安靜狀態(tài)后再重復(fù)熱身和聽音實驗。

實驗過程中被試佩戴了可以實時監(jiān)測心率的手環(huán)，根據(jù)實際的心率情況合理安排熱身時間、實驗時間和休息時間。

2 實驗結(jié)果與分析

運動狀態(tài)下，耳機A 的音質(zhì)主觀評價實驗結(jié)果如圖1 所示，給出了各音質(zhì)維度在不同運動狀態(tài)下的主觀評價結(jié)果。其中，橫軸表示該音質(zhì)術(shù)語的主觀心理尺度，虛線對應(yīng)各范疇等級的邊界值，不同形狀的符號代表相應(yīng)的運動狀態(tài)。

由圖1 可知，運動狀態(tài)會在一定程度上影響耳機音質(zhì)的主觀聽感。身體靜態(tài)聽音條件下，音質(zhì)大多處于“較好”水平；而運動狀態(tài)下，除力度外，耳機的豐滿度、明亮度、清晰度、柔和度和平衡感均表現(xiàn)出下降趨勢，多從“較好”降為“一般”。音質(zhì)下降程度與運動強度有關(guān)，對于豐滿度、明亮度、清晰度和柔和度，運動強度越高，音質(zhì)下降程度越明顯，即跑步造成的音質(zhì)下降程度強于走路和騎行，運動強度較弱的走路和騎行對應(yīng)的音質(zhì)評價結(jié)果與靜態(tài)條件相對更接近，靜態(tài)和走路的音質(zhì)評價結(jié)果大多都在“較好”范疇，騎行和跑步的音質(zhì)大多在“一般”范疇。

不同的音質(zhì)指標(biāo)在運動狀態(tài)下的音質(zhì)變化程度存在區(qū)別，如運動狀態(tài)下力度的聽感與靜態(tài)條件幾乎沒有差別，可見運動對力度的聽辨似乎影響很小。豐滿度、明亮度、清晰度和柔和度在跑步狀態(tài)下的下降程度最多，平衡感在騎行狀態(tài)下下降程度最多，柔和度和明亮度在騎行狀態(tài)下與靜態(tài)條件十分接近，豐滿度和明亮度在走路狀態(tài)下與靜態(tài)條件也十分接近。

進一步對上述結(jié)果進行方差分析（Analysis of Variance，ANOVA），如表2 所示。當(dāng)置信概率α＜0.05 時，說明運動類型之間有顯著性差異。從結(jié)果看到，在清晰度指標(biāo)下，靜態(tài)與跑步、騎行與跑步存在顯著差異；柔和度指標(biāo)下，靜態(tài)與跑步、走路與跑步、騎行與跑步存在顯著差異；平衡感指標(biāo)下，靜態(tài)與走路、靜態(tài)與騎行、靜態(tài)與跑步的差異顯著。

耳機B、C、D 的音質(zhì)主觀評價結(jié)果如圖7～圖9 所示。

表2 不同指標(biāo)下不同運動類型的顯著性差異

耳機B、C、D 的音質(zhì)主觀評價結(jié)果有類似的結(jié)果：靜態(tài)條件下，耳機音質(zhì)大多處在“較好”水平；身體運動狀態(tài)的改變影響耳機的主觀音質(zhì)效果，尤其是高強度的跑步，造成的耳機音質(zhì)下降最為明顯，走路和騎行的影響程度較小。方差分析表明：在運動狀態(tài)下，耳機B 在清晰度、柔和度、力度、平衡感上與靜態(tài)聽音結(jié)果有顯著性差異；耳機C 在豐滿度、明亮度、清晰度、柔和度、平衡感上與靜態(tài)聽音結(jié)果有顯著性差異；耳機D 在清晰度、柔和度、平衡感上與靜態(tài)聽音結(jié)果有顯著性差異。

3 結(jié)語

通過開展運動耳機在4 種不同狀態(tài)下（靜態(tài)、跑步、走路、騎行）的音質(zhì)主觀評價實驗，分析論證了運動狀態(tài)對主觀聽感的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，耳機使用過程中運動狀態(tài)或者身體狀態(tài)的變化會顯著影響耳機音質(zhì)效果，且音質(zhì)的下降程度與運動強度有關(guān)。實驗中，存在顯著性差異的運動狀態(tài)大多是高強度的跑步，可見跑步是降低音質(zhì)效果最主要的運動方式。不同的音質(zhì)指標(biāo)在不同的運動狀態(tài)下表現(xiàn)出的音質(zhì)下降程度存在差異，其中力度受運動狀態(tài)的影響最小，清晰度、柔和度和平衡感受運動狀態(tài)的影響較大。究其原因，運動狀態(tài)造成音質(zhì)下降主要在于兩個方面：一方面可能是由于身體運動狀態(tài)的改變引發(fā)的心理聲學(xué)效應(yīng)的變化；另一方面可能與引入了額外的聲音成分有關(guān)。例如，運動耳機的耳塞式結(jié)構(gòu)設(shè)計（避免運動時脫落）由于自身發(fā)出的聲音如運動產(chǎn)生的腳步接觸地面的聲音、運動帶來身體機能變化的呼吸聲和心跳聲、衣物的摩擦聲等造成的堵耳效應(yīng)。此外，運動產(chǎn)生的腳步與地面的接觸聲，同樣會帶來環(huán)境聲變化。