运动状态对耳机音质影响的实验研究

田 野，章斯宇

（中国传媒大学传播声学研究所，北京 100024）

0 引言

运动耳机指的是厂家在市场营销中宣传的一种适合运动时使用的耳机，一般采用耳塞式或挂耳式结构，利用无线蓝牙传输，具有易佩戴、防水以及续航能力持久等特点。耳机的声学性能通常是在经过隔声处理的室内借助人工头装置进行测量。耳机的音质主观评价通常是在专业的听音室内在听者身体处于静态条件下开展听音实验。然而，大多数运动耳机用户是在走路、跑步以及健身房锻炼等运动状态下使用耳机，运动耳机的实际使用场景与常规静态测试环境存在较大差异。运动时，身体的动态因素很可能影响耳机的实际音质效果。目前，国内外已有研究在不同领域阐述了运动状态对声音播放或声音感知的潜在影响。例如，Mueller［1-2］、冀飞［3］等人在助听器领域对助听器的堵耳效应进行了详细探讨，杨勇涛、刘海燕［4-5］等人对运动时个体的注意力和运动时对听觉反应的影响做了相关研究，丁文君［6］等人进行了入耳式耳机对环境噪声影响的实验。运动状态对耳机主观音质的影响目前还少有人研究，本文的研究目的是通过开展运动状态下耳机音质主观评价实验，探究运动状态对运动耳机的音质影响。

1 实验设计

1.1 前期准备

前期首先开展了千人规模的问卷调查，对运动耳机类型、使用时长、使用场景、运动方式、影响音质的因素以及对音质的预期等问题进行了广泛调研，同时选取了某款运动耳机发放给58 名有专业听音背景的测听人员进行持续两个月的耳机试用评价。调研和试用评价结果发现，大多数用户偏好入耳式运动耳机，且使用耳机的高频运动方式包括跑步、走路和骑行。除了对佩戴舒适度有要求，用户对耳机的音质也有较高的预期。大多数用户提出，运动时身体或线材产生的摩擦碰撞声影响耳机音质。基于此，本文选取4 款入耳式运动耳机（具体品牌型号省略，用编号A、B、C、D 表示）作为研究对象，分别考察其在3 类不同运动状态下的主观音质效果。

1.2 运动状态设定

前期调研已确定运动耳机的高频使用方式包括跑步、走路和骑行。实验中以速度作为量化指标，设定相应的运动强度。参照刘春辉、王欢［7-8］对没受过专业训练的普通人员可承受的运动速度的统计结果，以及运动学［9］中给出的摄氧量与运动持续时间的关系，实验中走路速度设定为4.8 km/h。该速度为舒适、正常步速，属于较低强度的运动，热身时间1 min 后摄氧量达到稳定。骑行的速度设定为15 km/h，符合正常的骑行速度，属于中低强度运动，热身时间1.5 min 后摄氧量达到稳定。跑步速度男生为8 km/h，女生为7.2 km/h，属于高强度运动，热身时间2 min 后摄氧量达到稳定。摄氧量的稳定意味着身体的心率等生理指标达到相对稳定。

在专业听音室内利用跑步机和骑行机模拟不同的运动状态。运动过程中，被试佩戴手环实时监测心率，并设置充分的休息时间，以防止不同运动状态间的相互影响。走路和骑行属于强度不高的运动，其摄氧量低于最大摄氧量的60%均可长时间活动。跑步属于高强度运动，其摄氧量在最大摄氧量的80%以上。为了保证实验顺利进行且不受较大影响，跑步实验分多次进行，这样被试的疲劳感不强且乳酸对人的影响也很低。

1.3 实验素材

依据问卷调查中出现的运动耳机音质的高频描述词汇和耳机试用评价所选用的20 组词汇语义细分法分析结果，结合专业音响设备音质评价标准优选参数［10］，实验最终选择了6 个音质评价词“丰满度、明亮度、清晰度、柔和度、力度、平衡感”作为评价指标。参照音响产品听音实验推荐使用的标准节目源［11］和作者所在实验室研究中常用的音质评价节目源，对待测的6 项音质指标选择相应的实验曲目，如表1 所示。实验前被试需提前熟悉节目源的音乐旋律，并正确理解音质评价术语的定义。

表1 音质主观评价指标及对应的曲目和时长

1.4 实验人员

共计20 名被试（10 男10 女）参与了主观听音实验，且所有人员均为受过专业听音训练的硕士研究生，年龄在22～25 岁，听力检查正常，125 Hz～8 kHz 听力损失不超过20 dBHL，没有已知的听力疾病。实验前对被试进行必要的训练，熟悉实验方法和步骤。

1.5 实验过程步骤

实验前向被试说明实验目的，并解释6 项音质评价指标的含义。实验采用系列范畴法［12］对6项指标分别进行评价，范畴设有好、较好、一般、较差、差共5 个等级。被试首先在非运动的身体静态条件下进行耳机音质主观评价实验，随后在运动机械上开展运动状态下的主观听音实验。走路热身时间约1 min，走路状态下的单次听音实验约持续9 min，实验结束休息5 min 再进入下一次实验。骑行热身时间约1.5 min，骑行状态下的单次听音实验持续9 min，结束后休息5 min 再进行下一次实验。因为跑步的运动强度较高且会有乳酸积累，所以为使被试不过于疲劳且不受乳酸影响，跑步状态下的听音实验分成3 次进行，即热身2 min 后做3 min的听音实验，休息4 min 后被试生理状态达到安静状态后再重复热身和听音实验。

实验过程中被试佩戴了可以实时监测心率的手环，根据实际的心率情况合理安排热身时间、实验时间和休息时间。

2 实验结果与分析

运动状态下，耳机A 的音质主观评价实验结果如图1 所示，给出了各音质维度在不同运动状态下的主观评价结果。其中，横轴表示该音质术语的主观心理尺度，虚线对应各范畴等级的边界值，不同形状的符号代表相应的运动状态。

由图1 可知，运动状态会在一定程度上影响耳机音质的主观听感。身体静态听音条件下，音质大多处于“较好”水平；而运动状态下，除力度外，耳机的丰满度、明亮度、清晰度、柔和度和平衡感均表现出下降趋势，多从“较好”降为“一般”。音质下降程度与运动强度有关，对于丰满度、明亮度、清晰度和柔和度，运动强度越高，音质下降程度越明显，即跑步造成的音质下降程度强于走路和骑行，运动强度较弱的走路和骑行对应的音质评价结果与静态条件相对更接近，静态和走路的音质评价结果大多都在“较好”范畴，骑行和跑步的音质大多在“一般”范畴。

不同的音质指标在运动状态下的音质变化程度存在区别，如运动状态下力度的听感与静态条件几乎没有差别，可见运动对力度的听辨似乎影响很小。丰满度、明亮度、清晰度和柔和度在跑步状态下的下降程度最多，平衡感在骑行状态下下降程度最多，柔和度和明亮度在骑行状态下与静态条件十分接近，丰满度和明亮度在走路状态下与静态条件也十分接近。

进一步对上述结果进行方差分析（Analysis of Variance，ANOVA），如表2 所示。当置信概率α＜0.05 时，说明运动类型之间有显著性差异。从结果看到，在清晰度指标下，静态与跑步、骑行与跑步存在显著差异；柔和度指标下，静态与跑步、走路与跑步、骑行与跑步存在显著差异；平衡感指标下，静态与走路、静态与骑行、静态与跑步的差异显著。

耳机B、C、D 的音质主观评价结果如图7～图9 所示。

表2 不同指标下不同运动类型的显著性差异

耳机B、C、D 的音质主观评价结果有类似的结果：静态条件下，耳机音质大多处在“较好”水平；身体运动状态的改变影响耳机的主观音质效果，尤其是高强度的跑步，造成的耳机音质下降最为明显，走路和骑行的影响程度较小。方差分析表明：在运动状态下，耳机B 在清晰度、柔和度、力度、平衡感上与静态听音结果有显著性差异；耳机C 在丰满度、明亮度、清晰度、柔和度、平衡感上与静态听音结果有显著性差异；耳机D 在清晰度、柔和度、平衡感上与静态听音结果有显著性差异。

3 结语

通过开展运动耳机在4 种不同状态下（静态、跑步、走路、骑行）的音质主观评价实验，分析论证了运动状态对主观听感的影响。实验发现，耳机使用过程中运动状态或者身体状态的变化会显著影响耳机音质效果，且音质的下降程度与运动强度有关。实验中，存在显著性差异的运动状态大多是高强度的跑步，可见跑步是降低音质效果最主要的运动方式。不同的音质指标在不同的运动状态下表现出的音质下降程度存在差异，其中力度受运动状态的影响最小，清晰度、柔和度和平衡感受运动状态的影响较大。究其原因，运动状态造成音质下降主要在于两个方面：一方面可能是由于身体运动状态的改变引发的心理声学效应的变化；另一方面可能与引入了额外的声音成分有关。例如，运动耳机的耳塞式结构设计（避免运动时脱落）由于自身发出的声音如运动产生的脚步接触地面的声音、运动带来身体机能变化的呼吸声和心跳声、衣物的摩擦声等造成的堵耳效应。此外，运动产生的脚步与地面的接触声，同样会带来环境声变化。