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关键词：头戴式耳机 可穿戴产品 人体数据 头耳特征 适配 舒适 主观评价 客观评价
引言
近年来无线头戴式耳机越来越受消费者欢迎，其舒适性也逐渐成为最能影响消费者购买意愿的因素。但现主流头戴式耳机较长时间佩戴后均容易产生不适感，而这种不适感常常与耳机不适配有关。如何通过产品设计提高头戴式耳机的适配性，从而降低耳机佩戴时造成的不适感，是对其进行产品设计时需要研究的重要问题。
从产品设计人机工学角度出发，头戴式耳机属于可贴身穿戴的产品，其舒适性与用户的生理特征密切相关[1] 。故需要对头戴式耳机相关的人体特征进行研究，着重研究其佩戴时与人体直接接触部分的生理特征，以有效提高其佩戴舒适性。头戴式耳机相关人体特征主要有头部和耳部的外部形态特征，而采集人体外部形态特征最准确有效的方法即是通过人体扫描获取三维数据，以此获得辅助设计的人体数据。Lacko 等[2] 通过核磁共振扫描获得100个人体头部三维模型样本，然后通过输入用户头长、头围等 5 个关键特征数据，就可获得类似所输入用户的头部特征，以用于头戴产品的定制设计。Chiu等[3] 将扫描获得的外耳形状特征分为三类，并通过分析各类外耳尺寸，给出耳机相关耳部特征的设计参考尺寸。
在完成基于人体扫描数据的产品设计后，同样可以利用人体数据对其产品舒适性进行验证，Skals等[4] 建立了结合头盔内垫与头部接触面之间的平均误差和标准误差以及面积比例等重要指标作为头盔佩戴舒适性的客观评价。产品舒适性客观评价方法是通过设备测算被试的生理反应数据，或直接相关物理指标数据来间接评价产品的舒适性。而舒适性受生理和心理两方面因素同时影响，故产品舒适性评价还应考虑主观心理上的直接评价。
在完成基于人体扫描数据的产品设计后，同样可以利用人体数据对其产品舒适性进行验证，Skals等[4] 建立了结合头盔内垫与头部接触面之间的平均误差和标准误差以及面积比例等重要指标作为头盔佩戴舒适性的客观评价。产品舒适性客观评价方法是通过设备测算被试的生理反应数据，或直接相关物理指标数据来间接评价产品的舒适性。而舒适性受生理和心理两方面因素同时影响，故产品舒适性评价还应考虑主观心理上的直接评价。
本文提出了基于人体外部特征数据的两种可穿戴产品设计方法：一是基于简单数据，如头顶部数据，通过聚类分析数据提取特征线辅助形态设计的方法;二是基于复杂数据，如外耳部数据，通过参考数据百分位特征点间距指导尺寸设计的方法。并将这两种方法应用于头戴式耳机的改良设计中，基于人体头部和耳部数据分别对佩戴时与其直接接触的头垫和耳垫进行改良设计。最后再对以此方法设计改良的头戴式耳机，进行客观适配性和主观舒适性评价相，验证其设计改良方法是否有效。
一、基于人体头部和耳部数据的可穿戴产品设计研究方法
本文所研究基于人体数据设计改良的产品为，穿戴时与人体头部和耳部直接接触的头戴式耳机。由于头部和耳部的人体外部曲面形态特征数据复杂程度差异巨大，基于这两类人体数据进行设计改良也采用不同的方法。
（一） 基于人体头部特征线的可穿戴产品设计方法。对于外部曲面形态特征简单，易于抽象为方圆等几何形体的人体部位特征数据，如类圆的头顶部，可采用聚类分析其曲面特征来概括人体部位特征的方法。Lacko等[7] 通过k-menas聚类算法将扫描获得的人体头部特征数据分为四类，并通过同类和不同类别间样本的误差分析，验证了聚类分类的可靠性，最终基于各类别的共性特征设计头戴式脑电产品。本文采用提取头顶特征弧度线，即头戴式耳机与头部直接接触面的弧度线，再聚类分析人体头部数据各类共性特征，即各类特征线重合部分作为头戴式耳机头垫弧度设计参考。
（二） 基于人体耳部特征点的可穿戴产品设计方法。对于外部形态结构特征复杂，难以概括为简单几何形体的人体部位特征数据，如外耳部，可采用直接分析人体与产品接触位置的特征点间距，以获取产品与人体接触部分尺寸设计参考的方法。冉宁鹏等[8] 提取扫描获得的人体耳部特征数据中与耳机设计相关的特征关键点后建立半参数化耳机模型。在耳机数化模型建立过程中，调节耳机上与耳部特征接触干涉的位置点，以实现耳机尺寸与耳部特征点相适配。本文采用提取外耳部四边最远处点横纵间距即耳宽与耳长，再分析该特征数据的百分位间距数值，即能够完全包裹外耳部的耳垫内尺寸范围作为设计参考。
（三）可穿戴产品舒适性评价方法。本文中提出的以上两种基于人体数据设计可穿戴产品度方法，是否使其具有了更好的舒适性还需要验证。目前，国内外对可穿戴产品舒适性的研究以客观评价与主观评价相结合的方法为主。即测算用户穿戴产品时的受力接触情况等生理或物理指标来评价其舒适性，同时用问卷量化用户对产品舒适性的主观感知，最终将客观和用主观评价结合共同定义产品舒适性，这也是本文所采用的舒适性验证方法。
二、应用方法分析头戴式耳机设计相关的人体特征数据
头戴式耳机与人体直接接触部分为头垫和耳垫，是直接影响用户佩戴时对其舒适性主观评价的部分[9] ，也是本文基于人体头部和耳部数据特征改良头戴式耳机设计的研究重点。本文基于中国人体头部三维数据[10] ，对其头顶部和外耳部特征数据进行统计分析，用于头垫和耳垫的改良设计。统计分析的数据包括所扫描的2200位被试的人口统计学信息，以及完成處理的三维人头数据模型，还包括拟合所有人头数据模型所得的百分位的高精度三维头耳模型[11] ，作为头戴式耳机头垫和耳垫设计的人体数据参考。
（一）头垫设计相关人体头部特征数据。人体头部外结构主要由头皮和颅骨组成，厚度约为5.7毫米的头皮组织覆盖在颅骨的外侧，头戴式耳机佩戴时，由于头皮组织薄，头垫与头顶部接触位置，恰好在颅骨上顶点的重要穴位百会穴处。若所佩戴的头戴式耳机的头垫与头顶接触部分压强过大，长时间佩戴便容易导致头疼眩晕。故本研究将以头垫内弧度与头顶弧度特征一致，为头垫改良设计的理想状态，如图1，以确保头垫与头顶部佩戴受力时接触充分，避免头顶点局部压强过大。 头顶弧度特征数据的提取方法是将人体测量学的法兰克福平面[12] 作为标准，统一所有三维头部模型的x、y和z方向与位置。以特征点“左右耳屏点”和特征点“左侧眶下点”为基准创建XOY平面，然后在XOY平面上以特征点“左右耳屏点”间的连线中点为坐标原点，使x轴正向指向特征点“右耳屏点”，y轴正向与鼻尖至眉心方向一致，z轴正向指向“头顶点”。完成坐标系建立后，以XOZ平面切割三维头部模型，得到头部从头顶点纵切面的边缘线，x轴以上部分边缘线则是头顶的完整弧度线，靠近头顶部分弧度线可以作为头垫内弧度的设计参考的人体头部特征线，如图2。
（二）耳垫设计相关人体耳部特征数据。外耳主要由耳廓、外耳道及鼓膜三部分组成。其中耳廓为外耳的最外层，其作用主要时收集外来声波，是佩戴头戴式耳机最可能与耳垫直接接触的人耳部分。耳廓主要由薄弱的皮肤和有弹性的软骨构成，其厚度约为1.3 mm。由于耳廓外露、突出、薄弱且布满血管和神经使其容易受到损伤，再加之研究耳廓特征的主要目的是确保其能包裹在耳垫内且尽可能地不与耳垫接触，考虑到优质主流头戴式耳机的耳垫造型均为椭圆形，故选择头耳部特征数据中的“耳廓上点”和 “耳廓下点”间距代表的“耳长A”以及 “耳廓后点”和“耳上附着点”间距代表的“耳宽B”分别作为“耳垫长度A1”和“耳垫宽度B1”的设计参考，如图3。
三、基于以上人体特征数据的头戴式耳机改良设计
本文中头戴式耳机的改良设计重点在于与人体头耳特征相关并在佩戴时与用户直接接触并直接影响其舒适性评价的部分，即耳垫与头垫部分。由于耳机其他的并未直接接触人体，故对改良耳机其他部分的设计将作为控制变量，参考改良前耳机的尺寸和结构进行设计。通过将改良前耳机直接拆解组成改良耳机的耳罩与头梁等其他部分，改良耳机的耳垫与头垫则在参考头耳特征数据完成数字化设计后，交与耳机工厂完成制作，并完成黏接后组成具有完整功能的耳机，其材料与工艺均与改良前耳机一致，以达到控制变量的效果，如图4。
（一）基于人体耳部特征点数据的耳垫设计方法应用。耳垫应完全包裹外才能确保佩戴时不会因耳廓受力引起不适而影响耳机舒适性。但是耳垫的作用不仅仅只是确保佩戴舒适，其内部空腔还起到的声学腔的作用。佩戴时密闭性好的耳垫除了音质更好，还能有效隔绝外界噪音。因此耳垫在完全包裹外耳的前提下不应过大，而造成佩戴时与耳周不贴合，最终影响其内腔密闭性和佩戴舒适性。
故本研究视耳垫内腔刚好完全包裹外耳部为理想状态，即改良后耳垫内腔尺度应完全适配平均水平的外耳尺度，以确保大部分人的耳部可以完全被包裹在耳垫内腔，同时对于其他小部分人而言也不至于太大或太小。在三维人体数据中以百分位数代表其尺度等级，第几百分位数指在所有代表人体特征中有百分之几的尺度特征是小于此百分位数代表特征的尺寸大小的，其中第50百分位可以代表特征尺度的平均水平。故参考第50百分位的高精度三维头耳模型[10] 数据设计改良耳垫。
耳廓上下特征点是外耳最高的点和最低的点，这两点间距为外耳部的纵向最远间距，代表耳长，第50百分位的耳廓上下特征点间距为60.13mm，故改良耳垫的内腔长度应设置为60mm。“耳廓后点”和“耳上附着点”分别为外耳最后和最前点，这两点间距为外耳部的横向最远间距，代表耳宽，第50百分位耳宽为29.99mm，参考改良前耳垫的内腔长宽比例1.5设置改良耳垫宽度为40mm。耳垫宽度和厚度也均参考改良前耳垫的均值20mm进行设计，以实现控制变量。此外经测量，改良前耳垫内腔的长为70mm，宽为45mm，均大于改良后耳垫。
（二） 基于人体头部特征线数据的头垫设计方法应用。头垫内弧度与头顶弧度特征应一致，以确保佩戴时头垫各部分与头顶充分接触，避免造成头顶点局部压强过大而引起佩戴者感到不适。由于不同个体间的头部特征存在差异，头顶弧度特征也不完全相同，找到这些差异中的共性并应用于头垫弧度的改良设计，可以使改良后的头垫与大部分人适配。
通过提取所有三维头耳模型[10] 的头部弧线，并聚类后确定所有类型头部弧线特征，以分析其特征共性应用于头垫改良设计。聚类簇数为6时聚类效果最佳，其中4类人群可以涵盖80%以上的头部特征。分别将4类簇群中离聚类中心最近的5个被试头模进行拟合，获得4个代表性头部模型，即最能代表这四类特征特性的头部模型。分析这四类代表头模的头顶弧线特征，发现其顶部分弧线重合度较高，重合部分即为共性特征，故可取其共性特征弧度直接用作头垫弧度的改良参考，如图5。以此弧度为基准，再参考改良前头垫的长度、宽度和厚度设计改良头垫，此外经比较，改良前头垫弧度更大。
四、头戴式耳机改良设计的主观和客观评价验证
将主观评价与客观评价相结合是目前可穿戴产品舒适性研究的主流方法[5] ，主观评价可以直观反映用户穿戴时的真实感知，客观评价可以代表用户受到产品物理信号刺激如受力等引起的生理感知从而引发心理变化，客观评价可以直接对应主观评价评价结果，起到验证受复杂因素影响的主观评价是否准确有效的作用。结合主观与客观评价，对比改良耳机与改良前耳机舒适性与适配性，如图6，以验证改良是否有效。
（一）主客观评价实验。实验目的是得到具有代表性头耳特征的多名被试佩戴完全适配的改良头戴式耳机与不完全适配的改良前耳机时的主观与客观评价。客观评价为使用压力传感器测量头部和耳部的适配性。主观评价为被试佩戴耳机时对其舒适性的评分。实验的最终目的是验证基于人体数据改良的耳机的客观适配性与主观舒适性是否均比改良前耳机更好。实验选择数据库[10] 中具有第50百分位头耳特征的16名年轻健康的头戴式耳机用户参与。
1. 客观评价实验。产品舒适性与其佩戴时的受力接触情况有明显相关性[13] 。受力接触情况可以直接通过实验设备进行测量，本实验选用结构相对简单，灵敏度高，动态响应迅速的XSENSOR电容式压力传感器进行测量。该压力传感器是通过柔性网格触觉软垫测量受力信息，其輕薄柔软的特性使其便于测量各种接触面之间的压力。通过将测量垫接入电脑，打开软件便能观察并测量实时受力情况。首先用XSEOSOR压力传感器测算被试分别佩戴两款耳机时，头部和耳部分别与头垫和耳垫的受力接触面积。测量时，将XSEOSOR的测量垫平整正向地放置在被试头顶正中后，要求被试佩戴并调整实验耳机至最舒适状态并保持头部动的静坐。被试静坐约一分钟后，通过与XSEOSOR连接的专用电脑程序记录置于用户头顶和头垫之间的测试垫受力情况，即被试头顶与头垫接触受耳机压力情况，保证电脑实时显示的数据稳定后保存稳定数据;同理，再将测试垫置于被试耳部与耳垫之间并记录受力情况，如图7。最终得到16名被试分别佩戴4款实验耳机时，头部、耳部与头垫和耳垫的接触面积。 2 . 主观评价实验。在被试完成所有客观实验后，要求其休息五分钟左右，确保心理和生理都处于良好状态后再开始主观试验。休息过程中，实验员会介绍主观评价问卷和注意事项。与客观评价由压力传感器测量不同，主观评价需要被试感知所佩戴的耳机，感知过程需要一定时间去感受和思考。完成休息的被试坐立佩戴并调整实验耳机至最舒适状态后，实验员开始计时，在第五分钟时要求被试不取下耳机，并通过量表分别对其耳部、头部和整体舒适性依次进行评价，完成评价后摘下耳机。李克特量表是用于舒适性评价最直观常见的一种评分量表。本实验问卷采用李克特量表的形式量化被试对改良前后头戴式耳机舒适性程度的评价。问卷的每個舒适性主观评价问题的评分为7项，对舒适性的程度描述与评定分别为“极其舒适-1分”、“非常舒适-2分”、“较为舒适-3分”、“无不舒适-4分”、“较为不舒适-5分”、“非常不舒适-6分”、“极其不舒适-7分”，舒适性越高评分越低。最终得到16名被试分别佩戴2款耳机时依次对其头部、耳部和整体舒适性的主观评价得分。
（二）实验数据分析。客观评价实验中用XSEOSOR测量的接触面积是描述耳机与人体接触时两者间接触表面的区域大小，是可以体现产品与人体适配情况的客观物理参数。由于改良前后两款耳垫设计与人体接触面的面积大小本不相同，无法直接比较佩戴时的真实接触面积大小，故采用接触面积比，即真实接触面积与设计接触面积的比值大小作为衡量适配性的标准，如图8为两款耳垫佩戴在被试编号01耳部时的接触面积比，基于人体数据改良后耳垫的接触面积比更大，即设计接触面积范围框内的佩戴接触受力时着色面积大，占比也更大。
改良前后两款头戴式耳机的舒适性主观评分和适配性客观测量的平均结果如表1所示。实验结果表明头耳部特征在五十百分位尺度水平的被试普遍认为，基于五十百分位三维耳部特征数据设计的改良后耳垫改良前耳垫的舒适性更强。对比通过XSEOSOR客观测算所得的改良前后的耳垫接触面积比，改良后的接触比改良前更大，也说明改良后耳垫与被试耳周受力接触时的接触面间存在间隙更少，真实的接触面积较大，即改良后耳垫的客观适配性更好。同样的结果也出现在改良前后的头垫上，改良后的头垫接触面积比更大，即客观适配性更好，同时头部舒适性的舒适性评分更低，即主观舒适性也更好。
结论
针对头戴式耳机改良设计本文提出了两种基于人体数据的设计改良方法。一是基于简单的头顶部数据，通过聚类分析提取头顶特征线，辅助头垫的形态设计方法;二是基于复杂的外耳部数据，通过参考百分位耳部特征点间距，指导耳垫的尺寸设计方法。并通过实验对比改良前后的耳机，发现无论是客观适配性评价还是主观舒适性评价，均表明使用本文提出的两种方法基于人体数据改良后的头戴式耳机的适配性和舒适性都更好。
引言
近年来无线头戴式耳机越来越受消费者欢迎，其舒适性也逐渐成为最能影响消费者购买意愿的因素。但现主流头戴式耳机较长时间佩戴后均容易产生不适感，而这种不适感常常与耳机不适配有关。如何通过产品设计提高头戴式耳机的适配性，从而降低耳机佩戴时造成的不适感，是对其进行产品设计时需要研究的重要问题。
从产品设计人机工学角度出发，头戴式耳机属于可贴身穿戴的产品，其舒适性与用户的生理特征密切相关[1] 。故需要对头戴式耳机相关的人体特征进行研究，着重研究其佩戴时与人体直接接触部分的生理特征，以有效提高其佩戴舒适性。头戴式耳机相关人体特征主要有头部和耳部的外部形态特征，而采集人体外部形态特征最准确有效的方法即是通过人体扫描获取三维数据，以此获得辅助设计的人体数据。Lacko 等[2] 通过核磁共振扫描获得100个人体头部三维模型样本，然后通过输入用户头长、头围等 5 个关键特征数据，就可获得类似所输入用户的头部特征，以用于头戴产品的定制设计。Chiu等[3] 将扫描获得的外耳形状特征分为三类，并通过分析各类外耳尺寸，给出耳机相关耳部特征的设计参考尺寸。
在完成基于人体扫描数据的产品设计后，同样可以利用人体数据对其产品舒适性进行验证，Skals等[4] 建立了结合头盔内垫与头部接触面之间的平均误差和标准误差以及面积比例等重要指标作为头盔佩戴舒适性的客观评价。产品舒适性客观评价方法是通过设备测算被试的生理反应数据，或直接相关物理指标数据来间接评价产品的舒适性。而舒适性受生理和心理两方面因素同时影响，故产品舒适性评价还应考虑主观心理上的直接评价。
在完成基于人体扫描数据的产品设计后，同样可以利用人体数据对其产品舒适性进行验证，Skals等[4] 建立了结合头盔内垫与头部接触面之间的平均误差和标准误差以及面积比例等重要指标作为头盔佩戴舒适性的客观评价。产品舒适性客观评价方法是通过设备测算被试的生理反应数据，或直接相关物理指标数据来间接评价产品的舒适性。而舒适性受生理和心理两方面因素同时影响，故产品舒适性评价还应考虑主观心理上的直接评价。
本文提出了基于人体外部特征数据的两种可穿戴产品设计方法：一是基于简单数据，如头顶部数据，通过聚类分析数据提取特征线辅助形态设计的方法;二是基于复杂数据，如外耳部数据，通过参考数据百分位特征点间距指导尺寸设计的方法。并将这两种方法应用于头戴式耳机的改良设计中，基于人体头部和耳部数据分别对佩戴时与其直接接触的头垫和耳垫进行改良设计。最后再对以此方法设计改良的头戴式耳机，进行客观适配性和主观舒适性评价相，验证其设计改良方法是否有效。
一、基于人体头部和耳部数据的可穿戴产品设计研究方法
本文所研究基于人体数据设计改良的产品为，穿戴时与人体头部和耳部直接接触的头戴式耳机。由于头部和耳部的人体外部曲面形态特征数据复杂程度差异巨大，基于这两类人体数据进行设计改良也采用不同的方法。
（一） 基于人体头部特征线的可穿戴产品设计方法。对于外部曲面形态特征简单，易于抽象为方圆等几何形体的人体部位特征数据，如类圆的头顶部，可采用聚类分析其曲面特征来概括人体部位特征的方法。Lacko等[7] 通过k-menas聚类算法将扫描获得的人体头部特征数据分为四类，并通过同类和不同类别间样本的误差分析，验证了聚类分类的可靠性，最终基于各类别的共性特征设计头戴式脑电产品。本文采用提取头顶特征弧度线，即头戴式耳机与头部直接接触面的弧度线，再聚类分析人体头部数据各类共性特征，即各类特征线重合部分作为头戴式耳机头垫弧度设计参考。
（二） 基于人体耳部特征点的可穿戴产品设计方法。对于外部形态结构特征复杂，难以概括为简单几何形体的人体部位特征数据，如外耳部，可采用直接分析人体与产品接触位置的特征点间距，以获取产品与人体接触部分尺寸设计参考的方法。冉宁鹏等[8] 提取扫描获得的人体耳部特征数据中与耳机设计相关的特征关键点后建立半参数化耳机模型。在耳机数化模型建立过程中，调节耳机上与耳部特征接触干涉的位置点，以实现耳机尺寸与耳部特征点相适配。本文采用提取外耳部四边最远处点横纵间距即耳宽与耳长，再分析该特征数据的百分位间距数值，即能够完全包裹外耳部的耳垫内尺寸范围作为设计参考。
（三）可穿戴产品舒适性评价方法。本文中提出的以上两种基于人体数据设计可穿戴产品度方法，是否使其具有了更好的舒适性还需要验证。目前，国内外对可穿戴产品舒适性的研究以客观评价与主观评价相结合的方法为主。即测算用户穿戴产品时的受力接触情况等生理或物理指标来评价其舒适性，同时用问卷量化用户对产品舒适性的主观感知，最终将客观和用主观评价结合共同定义产品舒适性，这也是本文所采用的舒适性验证方法。
二、应用方法分析头戴式耳机设计相关的人体特征数据
头戴式耳机与人体直接接触部分为头垫和耳垫，是直接影响用户佩戴时对其舒适性主观评价的部分[9] ，也是本文基于人体头部和耳部数据特征改良头戴式耳机设计的研究重点。本文基于中国人体头部三维数据[10] ，对其头顶部和外耳部特征数据进行统计分析，用于头垫和耳垫的改良设计。统计分析的数据包括所扫描的2200位被试的人口统计学信息，以及完成處理的三维人头数据模型，还包括拟合所有人头数据模型所得的百分位的高精度三维头耳模型[11] ，作为头戴式耳机头垫和耳垫设计的人体数据参考。
（一）头垫设计相关人体头部特征数据。人体头部外结构主要由头皮和颅骨组成，厚度约为5.7毫米的头皮组织覆盖在颅骨的外侧，头戴式耳机佩戴时，由于头皮组织薄，头垫与头顶部接触位置，恰好在颅骨上顶点的重要穴位百会穴处。若所佩戴的头戴式耳机的头垫与头顶接触部分压强过大，长时间佩戴便容易导致头疼眩晕。故本研究将以头垫内弧度与头顶弧度特征一致，为头垫改良设计的理想状态，如图1，以确保头垫与头顶部佩戴受力时接触充分，避免头顶点局部压强过大。 头顶弧度特征数据的提取方法是将人体测量学的法兰克福平面[12] 作为标准，统一所有三维头部模型的x、y和z方向与位置。以特征点“左右耳屏点”和特征点“左侧眶下点”为基准创建XOY平面，然后在XOY平面上以特征点“左右耳屏点”间的连线中点为坐标原点，使x轴正向指向特征点“右耳屏点”，y轴正向与鼻尖至眉心方向一致，z轴正向指向“头顶点”。完成坐标系建立后，以XOZ平面切割三维头部模型，得到头部从头顶点纵切面的边缘线，x轴以上部分边缘线则是头顶的完整弧度线，靠近头顶部分弧度线可以作为头垫内弧度的设计参考的人体头部特征线，如图2。
（二）耳垫设计相关人体耳部特征数据。外耳主要由耳廓、外耳道及鼓膜三部分组成。其中耳廓为外耳的最外层，其作用主要时收集外来声波，是佩戴头戴式耳机最可能与耳垫直接接触的人耳部分。耳廓主要由薄弱的皮肤和有弹性的软骨构成，其厚度约为1.3 mm。由于耳廓外露、突出、薄弱且布满血管和神经使其容易受到损伤，再加之研究耳廓特征的主要目的是确保其能包裹在耳垫内且尽可能地不与耳垫接触，考虑到优质主流头戴式耳机的耳垫造型均为椭圆形，故选择头耳部特征数据中的“耳廓上点”和 “耳廓下点”间距代表的“耳长A”以及 “耳廓后点”和“耳上附着点”间距代表的“耳宽B”分别作为“耳垫长度A1”和“耳垫宽度B1”的设计参考，如图3。
三、基于以上人体特征数据的头戴式耳机改良设计
本文中头戴式耳机的改良设计重点在于与人体头耳特征相关并在佩戴时与用户直接接触并直接影响其舒适性评价的部分，即耳垫与头垫部分。由于耳机其他的并未直接接触人体，故对改良耳机其他部分的设计将作为控制变量，参考改良前耳机的尺寸和结构进行设计。通过将改良前耳机直接拆解组成改良耳机的耳罩与头梁等其他部分，改良耳机的耳垫与头垫则在参考头耳特征数据完成数字化设计后，交与耳机工厂完成制作，并完成黏接后组成具有完整功能的耳机，其材料与工艺均与改良前耳机一致，以达到控制变量的效果，如图4。
（一）基于人体耳部特征点数据的耳垫设计方法应用。耳垫应完全包裹外才能确保佩戴时不会因耳廓受力引起不适而影响耳机舒适性。但是耳垫的作用不仅仅只是确保佩戴舒适，其内部空腔还起到的声学腔的作用。佩戴时密闭性好的耳垫除了音质更好，还能有效隔绝外界噪音。因此耳垫在完全包裹外耳的前提下不应过大，而造成佩戴时与耳周不贴合，最终影响其内腔密闭性和佩戴舒适性。
故本研究视耳垫内腔刚好完全包裹外耳部为理想状态，即改良后耳垫内腔尺度应完全适配平均水平的外耳尺度，以确保大部分人的耳部可以完全被包裹在耳垫内腔，同时对于其他小部分人而言也不至于太大或太小。在三维人体数据中以百分位数代表其尺度等级，第几百分位数指在所有代表人体特征中有百分之几的尺度特征是小于此百分位数代表特征的尺寸大小的，其中第50百分位可以代表特征尺度的平均水平。故参考第50百分位的高精度三维头耳模型[10] 数据设计改良耳垫。
耳廓上下特征点是外耳最高的点和最低的点，这两点间距为外耳部的纵向最远间距，代表耳长，第50百分位的耳廓上下特征点间距为60.13mm，故改良耳垫的内腔长度应设置为60mm。“耳廓后点”和“耳上附着点”分别为外耳最后和最前点，这两点间距为外耳部的横向最远间距，代表耳宽，第50百分位耳宽为29.99mm，参考改良前耳垫的内腔长宽比例1.5设置改良耳垫宽度为40mm。耳垫宽度和厚度也均参考改良前耳垫的均值20mm进行设计，以实现控制变量。此外经测量，改良前耳垫内腔的长为70mm，宽为45mm，均大于改良后耳垫。
（二） 基于人体头部特征线数据的头垫设计方法应用。头垫内弧度与头顶弧度特征应一致，以确保佩戴时头垫各部分与头顶充分接触，避免造成头顶点局部压强过大而引起佩戴者感到不适。由于不同个体间的头部特征存在差异，头顶弧度特征也不完全相同，找到这些差异中的共性并应用于头垫弧度的改良设计，可以使改良后的头垫与大部分人适配。
通过提取所有三维头耳模型[10] 的头部弧线，并聚类后确定所有类型头部弧线特征，以分析其特征共性应用于头垫改良设计。聚类簇数为6时聚类效果最佳，其中4类人群可以涵盖80%以上的头部特征。分别将4类簇群中离聚类中心最近的5个被试头模进行拟合，获得4个代表性头部模型，即最能代表这四类特征特性的头部模型。分析这四类代表头模的头顶弧线特征，发现其顶部分弧线重合度较高，重合部分即为共性特征，故可取其共性特征弧度直接用作头垫弧度的改良参考，如图5。以此弧度为基准，再参考改良前头垫的长度、宽度和厚度设计改良头垫，此外经比较，改良前头垫弧度更大。
四、头戴式耳机改良设计的主观和客观评价验证
将主观评价与客观评价相结合是目前可穿戴产品舒适性研究的主流方法[5] ，主观评价可以直观反映用户穿戴时的真实感知，客观评价可以代表用户受到产品物理信号刺激如受力等引起的生理感知从而引发心理变化，客观评价可以直接对应主观评价评价结果，起到验证受复杂因素影响的主观评价是否准确有效的作用。结合主观与客观评价，对比改良耳机与改良前耳机舒适性与适配性，如图6，以验证改良是否有效。
（一）主客观评价实验。实验目的是得到具有代表性头耳特征的多名被试佩戴完全适配的改良头戴式耳机与不完全适配的改良前耳机时的主观与客观评价。客观评价为使用压力传感器测量头部和耳部的适配性。主观评价为被试佩戴耳机时对其舒适性的评分。实验的最终目的是验证基于人体数据改良的耳机的客观适配性与主观舒适性是否均比改良前耳机更好。实验选择数据库[10] 中具有第50百分位头耳特征的16名年轻健康的头戴式耳机用户参与。
1. 客观评价实验。产品舒适性与其佩戴时的受力接触情况有明显相关性[13] 。受力接触情况可以直接通过实验设备进行测量，本实验选用结构相对简单，灵敏度高，动态响应迅速的XSENSOR电容式压力传感器进行测量。该压力传感器是通过柔性网格触觉软垫测量受力信息，其輕薄柔软的特性使其便于测量各种接触面之间的压力。通过将测量垫接入电脑，打开软件便能观察并测量实时受力情况。首先用XSEOSOR压力传感器测算被试分别佩戴两款耳机时，头部和耳部分别与头垫和耳垫的受力接触面积。测量时，将XSEOSOR的测量垫平整正向地放置在被试头顶正中后，要求被试佩戴并调整实验耳机至最舒适状态并保持头部动的静坐。被试静坐约一分钟后，通过与XSEOSOR连接的专用电脑程序记录置于用户头顶和头垫之间的测试垫受力情况，即被试头顶与头垫接触受耳机压力情况，保证电脑实时显示的数据稳定后保存稳定数据;同理，再将测试垫置于被试耳部与耳垫之间并记录受力情况，如图7。最终得到16名被试分别佩戴4款实验耳机时，头部、耳部与头垫和耳垫的接触面积。 2 . 主观评价实验。在被试完成所有客观实验后，要求其休息五分钟左右，确保心理和生理都处于良好状态后再开始主观试验。休息过程中，实验员会介绍主观评价问卷和注意事项。与客观评价由压力传感器测量不同，主观评价需要被试感知所佩戴的耳机，感知过程需要一定时间去感受和思考。完成休息的被试坐立佩戴并调整实验耳机至最舒适状态后，实验员开始计时，在第五分钟时要求被试不取下耳机，并通过量表分别对其耳部、头部和整体舒适性依次进行评价，完成评价后摘下耳机。李克特量表是用于舒适性评价最直观常见的一种评分量表。本实验问卷采用李克特量表的形式量化被试对改良前后头戴式耳机舒适性程度的评价。问卷的每個舒适性主观评价问题的评分为7项，对舒适性的程度描述与评定分别为“极其舒适-1分”、“非常舒适-2分”、“较为舒适-3分”、“无不舒适-4分”、“较为不舒适-5分”、“非常不舒适-6分”、“极其不舒适-7分”，舒适性越高评分越低。最终得到16名被试分别佩戴2款耳机时依次对其头部、耳部和整体舒适性的主观评价得分。
（二）实验数据分析。客观评价实验中用XSEOSOR测量的接触面积是描述耳机与人体接触时两者间接触表面的区域大小，是可以体现产品与人体适配情况的客观物理参数。由于改良前后两款耳垫设计与人体接触面的面积大小本不相同，无法直接比较佩戴时的真实接触面积大小，故采用接触面积比，即真实接触面积与设计接触面积的比值大小作为衡量适配性的标准，如图8为两款耳垫佩戴在被试编号01耳部时的接触面积比，基于人体数据改良后耳垫的接触面积比更大，即设计接触面积范围框内的佩戴接触受力时着色面积大，占比也更大。
改良前后两款头戴式耳机的舒适性主观评分和适配性客观测量的平均结果如表1所示。实验结果表明头耳部特征在五十百分位尺度水平的被试普遍认为，基于五十百分位三维耳部特征数据设计的改良后耳垫改良前耳垫的舒适性更强。对比通过XSEOSOR客观测算所得的改良前后的耳垫接触面积比，改良后的接触比改良前更大，也说明改良后耳垫与被试耳周受力接触时的接触面间存在间隙更少，真实的接触面积较大，即改良后耳垫的客观适配性更好。同样的结果也出现在改良前后的头垫上，改良后的头垫接触面积比更大，即客观适配性更好，同时头部舒适性的舒适性评分更低，即主观舒适性也更好。
结论
针对头戴式耳机改良设计本文提出了两种基于人体数据的设计改良方法。一是基于简单的头顶部数据，通过聚类分析提取头顶特征线，辅助头垫的形态设计方法;二是基于复杂的外耳部数据，通过参考百分位耳部特征点间距，指导耳垫的尺寸设计方法。并通过实验对比改良前后的耳机，发现无论是客观适配性评价还是主观舒适性评价，均表明使用本文提出的两种方法基于人体数据改良后的头戴式耳机的适配性和舒适性都更好。