「ヘッドフォンチェック」とは何ですか？

ヘッドフォンチェックという用語は、2017年にケビン・ウッズとその同僚がオンライン研究に参加する被験者がヘッドフォンを使用しているかどうかを判断する最初の方法を作成した際に初めて使用されました。この基礎的な研究に基づいて、ヘッドフォンチェックとは、特定の刺激を聴くときに参加者がヘッドフォンを使用しているか、スピーカーのいずれかを特定するタスクです。

制御された実験室環境で研究が行われる場合、研究者は参加者にヘッドフォンを装着させるかどうかを選ぶため、ヘッドフォンチェックは必要ありません。聴取環境は制御され、厳密に監視されています。

しかし、オンライン研究では、参加者が何をしているかを制御する方法はありません。参加者にヘッドフォンを着用するように頼み、それに従うことを期待する「名誉のコード」、すなわち信頼だけが存在します。

ヘッドフォンチェックはなぜ必要ですか？

研究者は、参加者がヘッドフォンの要件に従うことを期待していますが、その理由はさまざまです。聴覚刺激を提示する際には、参加者がオーディオクリップをどのように聴いているかを標準化することが重要です。これにより、「バックグラウンドノイズからの干渉、ラップトップスピーカーの音質の悪さ、環境の残響」（Woods et al. 2017）などの混乱変数を防ぎ、スピーカーからの距離やステレオ対モノラルサウンドも考慮されます。

ヘッドフォンの種類には幅広いバラエティがあります。参加者は、有線または無線のデバイスを使用している可能性があります。ヘッドフォンのスタイルには、オーバーイヤーヘッドフォンやイヤフォン、さらにモノラルまたはバイノーラルのセットアップが含まれます。あるヘッドフォンはノイズキャンセリング機能を備え、耳道を完全に密閉しますが、他のヘッドフォンは耳道の外側に位置し、バックグラウンド音を聞くことができます。このヘッドフォンの中の多様性にもかかわらず、ヘッドフォンのカテゴリ全体は、音響技術ではスピーカーと測定可能な点で異なります。

この測定はどのように行われるのでしょうか？

最初のヘッドフォンチェックはどのように作成されましたか？

ヘッドフォン越しに聴くこととスピーカー越しに聴くことの大きな違いの一つは、位相キャンセリングです。ウッズとその同僚は、同じ位相の2つのトーンと、他のトーンと比較して180度完全に位相が異なる1つのトーンを使用してこの原則に基づいて判断を行いました。

位相キャンセリングは、2つの波が位相を除いて全ての面で同一であり、位相において180度異なるときに発生します。この違いにより、波が互いにキャンセルし合い、同時に再生されるときは音が出ません。

スピーカーから聴くとき、音の位相にはヘッドフォンを使用する場合とは異なる違いがあります。ウッズとその同僚は、この違いはスピーカーの位置とリスナーの位置によるものであると発見しました。ヘッドフォンは音の位相がキャンセルされることを許さず、スピーカーはそれを許すというのがポイントです。

Fig. 1: Woods et al. 2017による位相キャンセリングの図

タスク自体はシンプルでした：参加者は3つのトーンを聴き、グループの中で最も静かなトーンを決定する必要がありました。著者たちは、低周波トーン（具体的には200Hz）がこの測定に最適であることを発見しました。3つのトーンが再生されました：音量レベルが同じ2つのトーンがあり、そのうちの1つは180度異位相で、もう1つは最初のトーンと同じ位相で、音量が6デシベル低いトーンでした。トーンの順序は試行間でランダムに設定されました。

全体として、研究者たちは位相キャンセリングのため、スピーカー越しに聴いた参加者がしばしば異位相のトーンを最も静かなトーンとして誤って選ぶことが多いことを発見しました。ヘッドフォンを使用する場合、参加者はしばしば他の2つのトーンよりも6デシベルソフトなトーンを正しく特定できましたが、より大きなトーンの1つと同じ位相にありました。その結果、約70%の真のヘッドフォンユーザーがスクリーニングに合格しました。

Fig 2: Woods et al. 2017のヘッドフォンスクリーニングの結果

ヘッドフォンチェックの新技術

ウッズ et al. 2017のヘッドフォンチェックが登場してからの4年間で、参加者の聴取技術を評価するための2つの方法が登場しました。まだあまり引用されてはいないものの、これらの新しい方法は、このトピックに関する研究が常に成長し進化していることを示しています。

ハギンズピッチ

ロンドン大学ユニバーシティカレッジのChaitLab、2020年

ウッズ et al.によるスクリーニング（反位相とも呼ばれる）の選択性を改善するために、UCLのChaitLabは、ヘッドフォンユーザーの80%を正確に検出するテストを開発しました。一方、以前の選択性は約70%でした。ただし、2つの方法を組み合わせると、約7%の偽陽性率という、さらに良い結果が得られたことにも注意しました。

ハギンズピッチも位相シフトを含みますが、わずかに異なる方法で行われます。このタスクで使用される3つの刺激は、2つの同一のホワイトノイズサウンドと、内部に「隠れた」ワーブルトーンがある第3のサウンドです。この第3のサウンドの背後にある科学は、「片方の耳にホワイトノイズ刺激を、もう片方の耳には位相シフトが180°である同じホワイトノイズを」となります（Milne et al 2020）。このタスクのポイントは、隠れたワーブルがヘッドフォンを着用しなければ検出できないという点で、サウンドが耳に届くバイノーラル（または二重聴覚）な性質に由来します。これは、著者が述べるように、ウッズ et al. のスクリーニングなどの識別タスクよりも認知的負荷が少ない検出タスクです。

Fig. 3: Milne et al. 2020からの反位相およびハギンズピッチ刺激の比較

ヘッドフォンおよびスピーカーテスト (HALT)

ハノーファー音楽演劇メディア大学、2022年

Wycisk et al.によって2022年に開発されたHALTは、さらに洗練されたスクリーニングです。結果は、参加者が音響刺激を聴くために使用しているデバイスの種類を検出する信頼性が高く効率的な方法として、2種類のヘッドフォンと2種類のスピーカーの4つの再生デバイスを区別することを示しています。

音量チェック

音楽の抜粋、ピンクノイズ、ループされたピンクノイズセグメントを異なる刺激として使用し、参加者はまず一連の音量キャリブレーションタスクを完了しました。次に、参加者は「ノイズイベント」の異なる数を数えるタスクを完了しました。タスクが正しいとマークされるためには、参加者は提示された9つのイベントのうち、5から7の特定の数のイベントしか聞こえないことが必要です。これよりも少ない場合は音量が小さすぎ、より多い場合は音量が大きすぎることを意味します。その後、参加者がその間に音量を調整していないことを確認するために、タスクは後で繰り返されました（彼らには調整しないよう指示されていました）。

ステレオ対モノチェック

参加者の再生デバイスがステレオかモノかを判断するために、彼らは右側だけで聞こえたピンクノイズセグメントを数えるよう指示されました。モノの場合、すべてのイベントが聞こえますが、ステレオセットアップでは、わずか数（ランダムな数）のイベントだけが認識されます。

低周波限界

HALTでは、再生デバイスが出力する最低音の周波数を確認して、どのデバイスが使用されているかを判断することも行われました。参加者は一連のピュアトーンを聴き、何音を認識したかを報告する必要があり、その数はデバイスの能力に対応すると仮定されていました。

テストを標準化するために、研究者たちは自分たちの機器で電気音響分析を実施し、コントロールの結果を実験参加者の結果と比較しました。

HALTの結果は正規分布に従い、参加者が音量を調整したか、ステレオまたはモノのセットアップで聴いているか、どの種のデバイスを使用しているか（ヘッドフォンまたはスピーカー）を予測する際に高い信頼性を示しました。

Labvancedにおけるヘッドフォンチェック

ウッズ et al. 2017による反位相刺激を含むヘッドフォンチェックは、Labvancedに実装されており、あなたの利用のために利用可能です。単に私たちのサンプル研究ページを訪れ、インポートをクリックしてアカウントにコピーしてください！

Fig. 4: ウッズ et al. 2017によって設計されたヘッドフォンチェック、現在Labvancedで利用可能！

ChaitLabのハギンズピッチヘッドフォンスクリーニングは最初はGorillaで実装されていましたが、このスクリーナーもLabvancedで利用可能です。著者たちは、私たちのチームがこのバージョンをあなたのために作成することを可能にしたChaitLabUCL GitHubの完全なプロジェクトを提供しました。これもサンプル研究ページにあり、インポート可能です！

Fig. 5: UCLのChaitLabによって設計されたヘッドフォンチェック、現在Labvancedで利用可能！

最後に、HALTのパート1もKilian SanderのおかげでGitHubで利用可能です。このテストをLabvancedでもご覧になりたい場合は、Discord経由または[email protected]までご連絡ください！

結論

ここで紹介したすべてのヘッドフォンチェックはデータによって検証されていますが、科学は常に進化し改善されています。各チェックにはそれぞれの利点と欠点があり、それぞれに役立つ方法があります。私たちは、各チェックを試し、あなたが行っている実験に合った方法を組み合わせることをお勧めします。

楽しい研究を！

注: これらのリソースを使用する際は、元の作成者にクレジットを与えてください！ Labvancedは、上述の研究者によって作成された資料の所有権を主張しません。

参考文献

Milne, A. E., Bianco, R., Poole, K. C., Zhao, S., Oxenham, A. J., Billig, A. J., & Chait, M. (2021). An online headphone screening test based on dichotic pitch. Behavior research methods, 53(4), 1551–1562. https://doi.org/10.3758/s13428-020-01514-0

Woods, K., Siegel, M. H., Traer, J., & McDermott, J. H. (2017). Headphone screening to facilitate web-based auditory experiments. Attention, perception & psychophysics, 79(7), 2064–2072. https://doi.org/10.3758/s13414-017-1361-2

Wycisk, Y., Kopiez, R., Bergner, J. et al. The Headphone and Loudspeaker Test – Part I: Suggestions for controlling characteristics of playback devices in internet experiments. Behav Res (2022). https://doi.org/10.3758/s13428-022-01859-8