冰上运动的随动录音与监测

许乾坤 乔琼 孟子厚

【摘要】为了探究在滑冰运动比赛中的录音与监测方法，选取两种传感器对冰刀与冰面接触时产生的声音进行随动录音。使用对偶比较法进行了不同传声器录制信号的真实感和表现力之间的对比以及混缩处理后的效果实验。

【关键词】滑冰；传声器；对偶比较法；混缩

滑冰运动发声部位主要来源于足蹬冰刀，在冰面上进行滑行竞速或做出动作。滑冰运动声源的录制，对比赛中的电视转播的影响较大。现场录制时受空气中的环境声干扰较大，最佳的拾音方式是拾取冰刀发声部位的声音。

森田晃等人研制出一种特殊的“冰区传声器”[1]，可以清楚地拾取溜冰的声音，而不受外界噪声（如观众的欢呼声）的影响；而对于一些新型的压电传感器材[2][3]卢晓光等解决了压电薄膜传感器接收um级振动的性能测试[4]，孟仁俊等人则进行了压电传感器的频晌分析、前置电路的设计以及应用在实际的运动姿势监测[5]。目前，专门针对体育运动的较为专业的传声器主要是电容传声器，在比赛录制中也比较成熟。

本文选取压电和电容丽种传声器，分别对花样滑冰的五种动作进行录制，比较两种传感器的录音特色，并将不同的声音信号进行混缩后，实验探究混缩后的效果是否有所提升。

1 随动录音的装置

滑冰运动是在冰面上进行的，其声源主要来自于冰刀在冰面上划过时其内部引发的振动。这种振动通过固体介质——冰面、冰刀，形成横波、纵波和表面波；在空气中主要是由冰面充当巨大的辐射板，通过纵波形式辐射到空气中[6]。

由于滑冰运动所产生的声源主要是通过固体介质传播[7]，因此，传统的录音方法拾取到的由空气介质传播的声波，并不能够很好地体现滑冰运动声音的本质。针对性的录音方法是通过拾取固体介质和空气介质中的声波，完善滑冰运动的录音方法。表1是目前常见的录音方式和录音技术。

对于滑冰运动而言，拾取空气声只是声源传播过程中的一部分，不能代表滑冰运动整体的自然声源。对于一项运动的声源，森田晃等将传感器置于冰下的做法不能保证拾取到稳定的声音信号，当冰刀在传感器附近划过时，传感器拾取到的信号能量很强，而随着运动员远离传感器位置，拾取到的信号就会很小。

随动录音结合了动态录音方式和直接拾音技术，将压电传声器安装在冰刀上不影响比赛的位置，同时加入基于近距离拾音技术的心形电容传声器，来拾取冰下的振动声与冰面反射的空气声。

针对录音中抬脚时出现的静音以及左右冰刀上不同的振动能量和频率[8]，最主要的是可以观察两只脚上的区别和特点，将一对压电传声器分别安装在左右两个冰刀的前立柱上，将一对电容传声器安装在两个冰刀的后立柱上，具体位置见图1。

对滑冰运动进行录音，将传声器按照图1的方式安装在冰刀上，连接上表2中的录音设备后使用。

2 滑冰运动的分类

滑冰运动，即运动员脚穿冰鞋通过冰刀接触冰面，两脚一前一后在冰面上滑行。滑冰运动大体可以分为速度滑冰和花样滑冰，前者是追求滑行速度，后者是挑战各种冰上技术。笔者所指的滑冰动作以花样滑冰为参考。花样滑冰配合音乐滑出各种图案，做出各种跳跃、旋转和造型动作[9]。

表3中的各类滑冰动作是滑冰比赛中运动员所进行的各个分式动作。其表演动作的难度更高，也更加具有观赏性，所以，此类声音信号录制用来提高花样滑冰运动的声效。

3 录音效果与音质评价

用安装好的录音系统对表3中的滑冰动作进行录制后，得到一个滑冰运动音频库。对表3中的五类表演动作进行试听，在真实感和表现力两点上挑选出合适的声音素材[10]。

本实验的被试共12名，均为在读学生，经测试，所有被试均达到了正常的听能水平。为确保测量数据的准确性，两只监听扬声器事先都进行过校准处理，实验在低噪声的录音间进行。

实验采取对偶比较法，分为两部分进行，第一部分的素材为表3中五种滑冰动作声音，让被试判断真实感和表现力，得到丽个主观指标下的心理順序量表。第二部分的素材为表3的素材，按照电容：压电的一定比例（ 0：1，1：3，1：2，1：1，2：1，3：1，1：0）进行混缩后合成滑冰运动声，让被试判断真实感和表现力，分别得到七种比例素材在两个主观指标下的心理顺序量表。

将实验数据按照分组对偶比较法的统计数学原理进行心理尺度的计算。其中第一部分实验结果如图2滑冰动作的评价结果。

由图2可以看出，真实感的尺度分布除电容传感器录制的燕式步外，压电传声器录制的动作真实感尺度较大；表现力的尺度分布，以电容传声器录制的动作表现力尺度较大。

第二部分将两种信号进行混缩后的比较实验，其对比结果如图3～图7。

由图中可知，真实感的100分尺度值均分布在只有压电传声器信号（1：0）处，且随着压电传声器信号分量越高，真实感越强；表现力则没有分布在电容传感器信号（0：1）处，而是在（1：2）或（1：1）处，且（1：O）处的心理尺度均为较小。

4 滑冰运动的状态监测

用压电传声器和电容传声器对同一段冰刀划过冰面发出的声音进行拾取后得到一段时间的频谱图8和图9，图8是用压电传声器录制的信号计算得到的频谱；图9是用电容传声器录制的同一个信号计算得到的频谱。通过对录制到的信号进行频谱分析，可以发现两种传声器的电声特性，压电传声器的谐振频率大约为5 kHz，使得频谱上的高频能量丰富；电容传声器则在4 kHz以下中低频细节上体现较多。前面的主观实验结果发现，滑冰声的真实感与信号的高频成分关联较大，而表现力则与信号的中低频成分有关。

5 小结

本文给出了滑冰运动录音的一个可行性方案，比较了两种录制传声器的主观感受。通过实验发现，压电传声器录音的真实感与电容传声器相比较为强烈，而表现力的心理尺度却低于电容传声器。借助两种信号混缩的方式发现，真实感心理尺度仍然是随压电传声器信号分量上升而增大，而混缩比为1：2或1：1的信号表现力明显强于混缩前信号。因此，可以使用压电传声器录制真实感强烈的滑冰声，而通过两种信号混缩的方式则可以进一步提升滑冰声音的表现力。观察两种传声器的频谱发现，滑冰声信号在各频带上能量分布的不同会影响滑冰声的音质。

参考文献：

[1] Iwaki M， Chiba S，Morita A. Development of”Ice-Zone MicrophoneSystem”for Skating Sound Pick-Up[J]. Technical Report of Ieice Ea， 1997，97（515）：1-7.

[2]赵东升.PVDF压电薄膜传感器的研制[J]传感器与微系统，2007，25（3）：51-52.

[3]王艳.ZnO薄膜材料及其相关声学器件研究[D].南京大学，2012.

[4]卢晓光.压电薄膜微力传感器特性研究[D].大连理工大学，2006.

[5]孟仁俊.PVDF压电薄膜传感器的研制[D].东华大学，2009.

[6]曹广英，袁江，于宁.用力学原理分析直道滑跑技术[J]冰雪运动，1997（1）：18-19.

[7]王进，田玉艳，振动传感器的工作原理和特性[J]电子技术与软件工程，2016（6）：133-134.

[8]王昌煌.录音技术浅谈——语言传声器的设置[J]电声技术，2006（3）：65-66.

[9]都秀艳，王珂，陈玲.芭蕾基础训练在花样滑冰训练中的应用[J]冰雪运动，2010，32（2）：22-24.

[10]郑之风，孟子厚，国产录音传声器的音质评价实验[C].2010年声频工程学术交流年会，2010.