頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性評價指標體系研究

田婧嫻，譚征宇，王海寧，張瑞佛

頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性評價指標體系研究

田婧嫻，譚征宇，王海寧，張瑞佛

（湖南大學，長沙 410006）

基于服裝材質(zhì)舒適性研究，建立頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性指標評價體系。通過桌面研究的方法，分析服裝材質(zhì)的相關文獻，提取服裝材質(zhì)舒適性的各項性能，并根據(jù)服裝材質(zhì)的各項性能，分析各項性能的相關指標。首先通過層次分析法，構建基于材質(zhì)基本性能的頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性遞階層次結構模型，通過比較判斷矩陣同一層次各指標的相對重要性，進行指標權重分析，得到各個指標的權重。其次通過桌面研究的方法，將耳墊材質(zhì)進行分類，并總結性能指標的最優(yōu)測量方法。將耳墊的測量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)標準化處理，通過Min-max標準化方法，得到所有耳墊材質(zhì)測量值的標準化數(shù)值，將各個指標的權重與每個材質(zhì)的標準化數(shù)值相乘后求和，得到每個材質(zhì)的舒適性得分。最后對耳墊材質(zhì)舒適性評價指標體系進行效度分析。通過構建頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性指標評價體系，確定了8個耳墊材質(zhì)舒適性指標，得到了各個指標的權重，并系統(tǒng)地總結了各個指標的測量方法和耳墊材質(zhì)的分類，最后根據(jù)Min-max標準化方法進行數(shù)據(jù)歸一化，通過加權得到耳墊材質(zhì)舒適性的評分，對該評價體系進行驗證，驗證結果具有有效性。該指標體系能夠為頭戴式耳機整體舒適性提供材質(zhì)選擇的參考標準，并為耳墊新材質(zhì)的開發(fā)和改進找到具體的指標方向，從而輔助頭戴式耳機佩戴舒適性設計輔助系統(tǒng)的建設。

頭戴式耳機；耳墊材質(zhì)；舒適性評價；層次分析法（AHP）；Min-max標準化

頭戴式耳機憑借其優(yōu)質(zhì)的音效和沉浸式的體驗感，一直是影音極致體驗者和音樂發(fā)燒友不可或缺的產(chǎn)品。由于工作或生活的需要，人們佩戴頭戴式耳機的時間越來越多，頭戴式耳機的佩戴舒適性成為比美觀外形、優(yōu)質(zhì)聲音更重要的設計要素[1]。頭戴式耳機分為非罩耳式耳機（On-the-ear/On-ear Headphones）和罩耳式耳機（Around-the-ear/Around-ear Headphones）[2]。用戶在佩戴2種頭戴式耳機時，除了人體頭部尺寸、耳機結構外，耳墊也會對用戶的佩戴舒適性產(chǎn)生影響[3]。耳墊形狀和材質(zhì)都對舒適性有影響[2-3]，耳墊形狀對舒適性的影響主要體現(xiàn)在壓力感方面，耳墊材質(zhì)對舒適性的影響表現(xiàn)在壓力感和溫濕度。目前，對于頭戴式耳機耳墊舒適性，并沒有單獨從耳墊材質(zhì)進行的研究，沒有探究不同材質(zhì)的性能指標對舒適性的影響程度，往往只能依靠經(jīng)驗和直覺，因此，為了能夠客觀地評判不同性能指標對耳墊舒適性的影響，需要建立一個頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性評價指標體系，得到不同指標的權重，并得到一個可以量化的數(shù)學工具，進而輔助頭戴式耳機佩戴舒適性設計輔助系統(tǒng)的建設。頭戴式耳機耳墊材質(zhì)以下均稱為耳墊材質(zhì)。

1 耳墊材質(zhì)舒適性與服裝材質(zhì)舒適性

1.1 耳墊材質(zhì)舒適性與服裝材質(zhì)舒適性的關系

頭戴式耳機作為一種可穿戴設備，與人體關系密切，由于耳墊材質(zhì)直接與皮膚接觸，并由柔軟的材質(zhì)制成[2-3]，所以在耳墊材質(zhì)的舒適度研究中，可參考服裝材質(zhì)舒適性研究。

服裝舒適性研究較早且體系較為健全，在研究中整理出服裝舒適性的研究內(nèi)容，結合耳墊材質(zhì)的舒適性研究與頭戴式耳機的使用場景，從而建立符合頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性指標體系。

1.2 服裝材質(zhì)舒適性研究內(nèi)容

服裝的舒適性分為生理舒適性和心理舒適性，在服裝生理舒適性研究中，服裝材質(zhì)舒適性占主要作用[4]，國內(nèi)外研究學者將服裝生理舒適性分為3類：熱濕舒適性、接觸舒適性和壓感舒適性[5-6]。熱濕舒適性包括熱舒適性和濕舒適性2個方面；接觸舒適性，即織物或服飾與人體相互作用時的一種生理感覺[7]，織物的力學性能和表面性能是接觸舒適性的研究重點[8]；壓感舒適性，即人體穿著服裝時，服裝與人體皮膚相互作用產(chǎn)生的皮膚壓感/束縛感，織物延展性是確保壓感舒適性的重要因素[5]。服裝材質(zhì)舒適性研究內(nèi)容見圖1。

圖1 服裝材質(zhì)舒適性研究內(nèi)容

2 耳墊材質(zhì)舒適性指標

服裝材質(zhì)舒適性研究的3個方面包括熱濕舒適性、接觸舒適性和壓感舒適性研究，熱濕舒適性研究的是材質(zhì)的熱傳遞性能、濕傳遞性能和空氣傳遞性能，將其統(tǒng)稱為溫濕度；接觸舒適性與壓感舒適性研究的是材質(zhì)的力學性能，將其統(tǒng)稱為壓力感。材質(zhì)的力學性能對壓力感具有重要影響[6]，將服裝材質(zhì)舒適性中的力學性能進行性能指標的具體化，轉化為實際可測的指標，分別為彈性模量、彈性回復率和單位質(zhì)量[5]。同理，材質(zhì)的熱傳遞性能、濕傳遞性能和空氣傳遞性能對溫濕度具有重要影響[6]，轉化為實際可測的指標，分別為導熱性、接觸冷感、透濕性、吸濕性、透氣性[5]。

2.1 耳墊材質(zhì)的壓力感

頭戴式耳機作為與耳部接觸非常密切的電子產(chǎn)品之一，耳墊舒適性的高低會直接影響耳廓周圍壓力感的大小[2]。Gerges[3]研究發(fā)現(xiàn)頭戴式耳機對皮膚、皮下組織和骨骼施加的壓力可能是不舒適最常見的直接原因之一；冉令鵬等[9]將耳機通過與耳道接觸來產(chǎn)生接觸壓強，接觸壓強幅值及壓強分布合理與否直接決定了佩戴者舒適與否；林歡等[2]認為耳機設計參數(shù)需要參考相適應的頭部尺寸，用戶佩戴耳機時的受力情況直接影響著耳機的舒適性，并發(fā)現(xiàn)耳機的夾緊力越小，長時間佩戴的舒適度越高；在耳機的各部分質(zhì)量上，過重的耳機會引起區(qū)域應力集中，導致用戶頭部不適。因此，壓力感在頭戴式耳機舒適性設計中具有非常重要的作用（功能尺寸上和材料性能上的綜合作用）[2,3,10]。頭戴式耳機對人體皮膚的壓力，受到耳墊對皮膚的總作用力和壓力分布2個方面因素的影響，增加接觸面積有助于降低皮膚所受的壓力。因此，為了確保與皮膚的大面積接觸，耳墊不僅應該具有與耳朵和頭部結構相適應的尺寸和形狀，而且還應該由有助于增加接觸面積的柔性材料制成[3]。耳墊采用羊皮等特殊材質(zhì)進行包裹，也可以提高佩戴舒適性[1]。因此，耳墊材料作為人體皮膚與頭戴式耳機直接接觸的媒介，從壓力感的角度而言，其力學性能是重要的因素[5]，耳墊材質(zhì)的壓力感指標關系見圖2。

圖2 耳墊材質(zhì)的壓力感指標關系

2.2 耳墊材質(zhì)的溫濕度

頭戴式耳機耳墊包裹在人耳部，耳朵處在狹小、受擠壓的環(huán)境中，長時間佩戴耳機會導致耳廓悶熱不透氣，在佩戴過程中，由于人體會自然分泌汗液，水分長時間滯留在耳墊內(nèi)，不僅會導致舒適度降低，耳墊內(nèi)也容易滋生細菌，從而引起皮膚健康問題[5,9]。Davis等[11]發(fā)現(xiàn)，在行走過程中佩戴頭戴式耳機，人體熱量會以大約0.3 ℉/h的速度增加，濕度以大約0.5%/min的速度增加，舒適性明顯下降；劉宗明等[12]對耳罩結構進行了重新設計，使耳罩可與耳廓分離，耳廓與空氣進行充分接觸，有效解決了悶熱問題；林歡等[2]發(fā)現(xiàn)，在長時間佩戴耳機時，透氣性差的材料會導致耳部溫度升高，脫離人體的熱舒適環(huán)境。材質(zhì)的熱傳遞性能、濕傳遞性能與空氣傳遞性能互相影響，在服裝材質(zhì)舒適性研究中，以溫濕度來概括此類材質(zhì)研究，耳墊材質(zhì)的溫濕度指標關系見圖3。

圖3 耳墊材質(zhì)的溫濕度指標關系

2.3 耳墊材質(zhì)舒適性遞階層次模型

文中旨在構建耳墊材質(zhì)舒適性指標。以服裝材質(zhì)舒適性研究為基礎，確立一級指標壓力感和溫濕度，并進一步提取耳墊材質(zhì)舒適性相關的舒適性指標（=8）。其中，壓力感指標（=3）為單位質(zhì)量、彈性模量和彈性回復率；溫濕度指標（=5）為導熱性、透氣性、接觸冷感、透濕性和吸濕性。

基于AHP（層次分析法），建立一個遞階層次結構模型——耳墊材質(zhì)舒適性指標M-HTCI（Material- Headphone Total Comfort Index）。層次分為3類：最高層（目標層）、中間層（一級指標）、最底層（二級指標），耳墊材質(zhì)舒適性指標M-HTCI見圖4。目標層指解決問題的最終目的，在文中指耳墊材質(zhì)舒適性指標M-HTCI；一級指標指最終目的實現(xiàn)的準則，在文中指壓力感和溫濕度；二級指標指促使目的實現(xiàn)的可測指標，即壓力感和溫濕度下對應的具體指標。

圖4 耳墊材質(zhì)舒適性指標M-HTCI

3 耳墊材質(zhì)舒適性指標的權重研究

3.1 耳墊材質(zhì)舒適性指標判斷矩陣

筆者對兩大類8個指標構造了3個判斷矩陣：-、1-(1-3)、2-(4-8)。在遞階層次結構模型——耳墊材質(zhì)舒適性指標M-HTCI的基礎上，通過比較判斷矩陣同一層次各指標的相對重要性，就能夠綜合計算出指標的權重系數(shù)，耳墊材質(zhì)舒適性指標遞階層次結構見圖5。

圖5 耳墊材質(zhì)舒適性指標遞階層次結構

3.2 問卷數(shù)據(jù)的獲取

為了確保權重的可信度，以專家賦值的方式開展權重獲取實驗。被試者選取的是31位湖南大學工業(yè)設計方向的在讀博士及研究生，均有頭戴式耳機的佩戴經(jīng)歷，其中25人為頭戴式耳機舒適性研究專員，采用Yaahp軟件標準化問卷作為評判取值標準，在解釋指標含義并讓被試者理解后，要求各位被試者以逐層逐項兩兩比較的方式，分別對3個判斷矩陣的指標變量進行評判取值，2個準則層指標，8個方案層指標，刪除同樣的對比問卷，共產(chǎn)生了14組評價表，并獲取了相應的問卷數(shù)據(jù)，問卷評價見圖6—8。

圖6 對一級指標重要性評價

圖7 對二級指標壓力感重要性評價

圖8 對二級指標溫濕度重要性評價

3.3 問卷數(shù)據(jù)一致性檢測

為了對問卷數(shù)據(jù)能否接受進行鑒別，對判斷矩陣進行一致性檢測。計算一致性指標：，當時，表明判斷矩陣有較滿意的一致性，對于不一致的判斷矩陣，可通過Yaahp軟件進行自動修正，最后確定的一級指標權重見表1。

表1 一級指標權重

Tab.1 First-level indicator weight

3.4 問卷數(shù)據(jù)權重計算結果

將修正后的問卷結果輸入層次分析法軟件Yaahp軟件中，以冪法為計算方法，分別計算判斷矩陣的最大特征根及對應的最大特征向量。采用專家數(shù)據(jù)集結法將各專家排序向量進行加權幾何平均后，得到8個耳墊材質(zhì)舒適性指標的權重，并進行權重排序，耳墊材質(zhì)舒適性指標的權重見表2。

從表2的排序結果來看，耳墊材質(zhì)舒適性指標綜合權重從高到低依次為彈性模量、彈性回復率、單位質(zhì)量、透氣性、透濕性、吸濕性、接觸冷感和導熱性。

通過分析耳墊材質(zhì)舒適性指標權重可以得出以下結論：

1）壓力感指標的重要度大于溫濕度指標的重要度，且重要度超過2倍。耳機設計師在選取耳墊材料時應優(yōu)先考慮壓力感指標。

2）在壓力感指標的重要程度中，彈性模量的重要度大于彈性回復率的重要度，彈性回復率的重要度大于單位質(zhì)量的重要度。耳機設計師需要首要考慮材料的彈性模量，再考慮材料的彈性回復率，最后考慮材料的單位質(zhì)量。頭戴式耳機用戶更在意的是材質(zhì)的彈性，材料的重量其次。

3）在溫濕度指標的重要程度中，透氣性重要程度最高，且透氣性重要程度大于透濕性，吸濕性、接觸冷感和導熱性的權重很低。頭戴式耳機的應用場景大部分為沉浸式非運動狀態(tài)，流汗較少。頭戴式耳機用戶更注重的是耳墊的透氣性，而不是透濕性。

表2 耳墊材質(zhì)舒適性指標的權重

Tab.2 The weight of the comfort index of the ear cushion material of the headset

4 耳墊材質(zhì)舒適性的評價方法

4.1 耳墊材質(zhì)的分類

將耳墊分為耳墊外皮和耳墊墊芯，并進行桌面調(diào)研及文獻研究，總結了國內(nèi)外18個主流頭戴式耳機品牌、53個市面上在售的耳機型號，以獲取耳墊材質(zhì)分類，見圖9。其中耳墊外皮材質(zhì)一共8類，分為真皮、人造皮革、海綿、硅膠、織物、塑料、泡沫和生物基材料；耳墊墊芯一共4類，分為海綿、EVA、泡沫和生物基材料[13]。

4.2 耳墊材質(zhì)性能指標的測量方法

在參考的服裝材質(zhì)性能指標評價方法中，通過儀器測量服裝材質(zhì)的基本性能（如力學性能和熱濕性能等），并將其轉化成一定的指標，以評價服裝材質(zhì)的穿著舒適性[5]?；谇捌讷@得的與耳墊材質(zhì)舒適性相關的性能指標，結合桌面調(diào)研，參考國家標準和行業(yè)規(guī)范，進行測量方法的總結，耳墊材質(zhì)舒適性指標測量方法總結見圖10。

圖9 耳墊材質(zhì)分類

圖10 耳墊材質(zhì)舒適性指標測量方法

4.3 耳墊材質(zhì)性能評價方法

此文的目的是得到耳墊材質(zhì)舒適性評價體系，以用來評價耳墊材質(zhì)舒適性。提供一個耳墊材質(zhì)，通過此體系可以得到量化的舒適性得分，得分考慮到了耳墊不同指標的值，以及不同指標的重要程度。指標值通過對耳墊的測量得到，重要程度在上文中，通過層次分析法已經(jīng)得到。由于每個指標的單位不同，所以耳墊材質(zhì)舒適性得分不能通過加權得到。為了解決這個問題，需要對測量結果進行數(shù)據(jù)標準化處理[14]。

數(shù)據(jù)標準化（歸一化）處理是數(shù)據(jù)挖掘的一項基礎工作，不同評價指標往往具有不同的量綱和量綱單位，這樣的情況會影響到數(shù)據(jù)分析的結果，為了消除指標之間的量綱影響，需要進行數(shù)據(jù)標準化處理，以解決數(shù)據(jù)指標之間的可比性。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)標準化處理后，各指標處于同一數(shù)量級，適合進行綜合對比評價。這里采用Min-max標準化處理。Min-max標準化也稱離差標準化，是對原始數(shù)據(jù)的線性變換，可以使特征值都一一映射在[0,1]，其轉換函數(shù)：

(1)

將所有需測的耳墊材質(zhì)，用8個指標進行測量，以此得到每個指標在所有材質(zhì)下的最大值和最小值。隨后，通過Min-max標準化方法，得到所有耳墊材質(zhì)測量值的標準化數(shù)值。最后將各個指標的權重與每個材質(zhì)的標準化數(shù)值相乘后求和，得到每個材質(zhì)的舒適性得分。

數(shù)學化表達和參數(shù)解釋（見表4）如下：

表4 參數(shù)解釋

Tab.4 Parameter explanation

(2)

(3)

(4)

(5)

5 耳墊材質(zhì)舒適性效度分析

為了驗證該評價指標體系的有效性，選取了3個耳墊外皮材質(zhì)不同、耳墊墊芯相同的耳機型號：Beoplay H9i、Sony WH-H910N和KOSS Qzpro。文中選擇了4個能夠從公開資料中查找到的材質(zhì)參數(shù)，耳墊材質(zhì)參數(shù)見表5。

表5 耳墊材質(zhì)參數(shù)

Tab.5 Ear pad material parameters

對材質(zhì)參數(shù)進行歸一化處理，歸一化處理結果見表6。

表6 材質(zhì)參數(shù)歸一化結果

Tab.6 Material parameter normalization results

由于只用到了4個指標參數(shù)，所以將權重按照原有比例進行重新計算，結果見表7。

表7 重新計算后的權重

Tab.7 Recalculated weight

將歸一化結果進行權重計算，Beoplay H9i得分為0.895 1、Sony WH-H910N得分為0.636 2，KOSS Qzpro得分為0。在耳墊材質(zhì)舒適性得分中，分值從大至小依次為羊皮>PU皮>PVC。以上得分結果與專業(yè)評測網(wǎng)站RTINGS.com中這3款耳機的舒適性得分一致，因此該指標評價體系具有很強的有效性，舒適性得分對照見表8。

表8 舒適性得分對照

Tab.8 Comfort score comparison

6 結語

筆者以服裝材質(zhì)舒適性研究為基礎，分析了相關文獻，從中分析得出，服裝舒適性可分為熱濕舒適性、接觸舒適性和壓感舒適性，為貼身產(chǎn)品頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性的研究提供了參考。另外，筆者構建了頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性指標評價體系，并運用層次分析法求出了頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性的指標權重，通過桌面調(diào)研，將耳墊材質(zhì)進行了分類，對耳墊材質(zhì)的各項指標提供了測量方法，并通過數(shù)據(jù)標準化，消除了指標之間的量綱影響，解決了數(shù)據(jù)指標之間的可比性。最終通過3款耳機耳墊材質(zhì)進行了舒適性效度測試，測試結果與評測網(wǎng)站結果一致，證明該體系具有有效性。

從結果和意義來看，頭戴式耳機耳墊材質(zhì)舒適性指標評價體系的建立，為舒適性提供了一個除傳統(tǒng)的主觀評價方法外的量化標準，為后續(xù)耳墊材質(zhì)的研發(fā)與改進提供了更加明確的改進方向。耳機開發(fā)人員拿到一款材質(zhì)，該材質(zhì)是否適合作為頭戴式耳機耳墊材質(zhì)，可以通過文中的方法得到一個量化的得分，若得分高，則該材質(zhì)適合作為頭戴式耳機耳墊材質(zhì)。如果想對某款耳墊材質(zhì)舒適性進行提高改進，通過該方法可以知道哪種指標的提高可以很大程度地提高舒適性。文中旨在提供一種更加科學有效的評價方法，為頭戴式耳機佩戴舒適性設計輔助系統(tǒng)的建設提供耳墊材質(zhì)方面的參考。

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責任編輯：馬夢遙

Evaluation Index System of the Comfortability of Headphone Earpad Material

TIAN Jing-xian, TAN Zheng-yu, WANG Hai-ning, ZHANG Rui-fo

(Hunan University, Changsha 410006, China)

Based on the research on the comfort of clothing materials, to establish an index evaluation system for the comfort of the ear cushions of headphones. Through the desktop research method, the relevant literature of clothing materials was analyzed, and the various properties of clothing material comfort were extracted. According to the various properties of clothing materials, the relevant indexes of each performance were analyzed. Through the analytic hierarchy process, a hierarchical structure model of the comfort of the headphone ear pads based on the basic properties of the material is constructed, and the two indicators are compared and assigned, and the indicator weights are analyzed to obtain the weight of each indicator. Secondly, through the desktop research method, the ear pad materials are classified, and the optimal measurement method of performance indicators is summarized. Standardize the measurement data of the ear pads. Through the Min-max standardization method, the standardized values of all the measured values of all ear pad materials are obtained. The weight of each index is multiplied by the standardized value of each material and then the sum is obtained. The comfort score of each material. Finally, the validity of the evaluation index system of ear pad material comfort is analyzed. By constructing the evaluation system for the comfort index of the ear cushion material of the headphone, 8 ear cushion material comfort indexes are determined, the weight of each index is obtained, and the measurement method of each index and the classification of the ear cushion material are systematically summarized. Finally, the data is normalized by the Min-max standardization method, and the comfort score of the ear pad material is obtained by weighting, and the evaluation system is verified to verify the validity of the results. This index system can provide a reference standard for material selection for the overall comfort of the headset, and find specific index directions for the development and improvement of new materials for ear pads, and finally assist the construction of the headset wearing comfort design assistance system.

headphone; earpad material; comfort evaluation; analytic hierarchy process(AHP); Min-max standardization

TB472

A

1001-3563(2022)10-0129-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.10.015

2021-12-19

田婧嫻（1996—），女，碩士生，主攻設計學。

譚征宇（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向為設計學。