Sound Intensity & Loudness

Předmět: Devátá třída až dvanáctá třída: Přírodní vědy Státní standardy: Iowa Core: SS.9-12.H.1, 21.9-12.TL.3, 21.9-12.TL.4, 21.9-12.TL.5; Přírodovědné standardy nové generace: Pomocí této vícedílné aktivity se žáci seznámí s vlastnostmi zvukových vln, zejména s intenzitou a hlasitostí zvuku. Dozvědí se, jak měřit intenzitu a hlasitost, jaký je rozdíl mezi zvukem a hlukem a kdy je zvuk považován za hluk. Pomocí údajů, jako jsou údaje o intenzitě a spektrogramy, a jednoduchých technik, jako je poslech a identifikace zvuků, studenti zkoumají, jak zvuky ovlivňují lidi a životní prostředí. Třídní učitelka Lynette Cummingsová vypracovala tyto aktivity v rámci programu Učitel učiteli.

Intenzita &Hlučnost

Intenzita zvuku je výkon zvuku ve wattech dělený plochou, kterou zvuk pokrývá, v metrech čtverečních. Hlasitost zvuku vztahuje intenzitu libovolného zvuku k intenzitě na prahu slyšení. Měří se v decibelech (dB). Práh lidského sluchu má intenzitu přibližně 0,0000000000001 wattu na metr čtvereční a odpovídá 0 decibelům. Práh bolesti u člověka je 1 watt na metr čtvereční a odpovídá 120 dB. Šepot má hodnotu 20 až 30 dB, hlučný rozhovor asi 50 dB, vysavač asi 70 dB, sekačka na trávu asi 90 dB a klakson auta ve vzdálenosti 1 m asi 110 dB. Lidé jsou obzvláště citliví na zvuky o frekvenci mezi 2 000 a 5 000 Hz. Stupnice dBA má filtr, takže měřič hladiny zvuku je méně citlivý na nízkofrekvenční a vysokofrekvenční zvuky stejně jako lidský sluch. Je také lépe přizpůsobena k měření poškození sluchu a rušení řeči u lidí.

Hluk

„Hluk“ je jakýkoli nežádoucí zvuk nebo cizí zvuk (zvuk bez jakékoli funkce). Hluk ovlivňuje přírodní prostředí. Mimořádné zvuky například způsobují „sluchové maskování“, které snižuje schopnost zvířat rozpoznat komunikaci a predátory. Někteří ptáci zpívají v hlučnější oblasti vyšší tónem. Protože samice některých druhů ptáků dávají přednost zpěvu samců s nižším tónem, protože značí dospělost, může to vést ke snížení ptačích populací. Jiní ptáci mohou v hlučných oblastech prostě zpívat hlasitěji. Čínské žáby dokonce posunuly své volání do ultrazvukového pásma (nad frekvence, které slyší lidé), aby se mohly v období páření vzájemně lokalizovat. Netopýři sběrači (ti, kteří trhají hmyz z listů) nebudou lovit v hlučných oblastech. Hluk také „stresuje“ volně žijící zvířata a snižuje jejich odolnost vůči nemocem. Hluk rozhodně ovlivňuje vodní prostředí. Zvuk se pod vodou šíří mnohem rychleji a dále, což znamená, že zdroj hluku může mít mnohem větší dosah než na souši. Studie také ukázaly, že nízkofrekvenční hluk v oceánech, který z velké části souvisí s nárůstem komerční lodní dopravy, se od 60. let 20. století zvýšil až o 10 dB.

Hluk může také nepříznivě působit na lidi. Bylo prokázáno, že hlasité nebo dlouhotrvající zvuky způsobují poškození sluchu, hypertenzi, poruchy spánku, obtěžování a ischemickou chorobu srdeční (srdeční onemocnění spojené se sníženým průtokem krve do srdce). Mezi další komplikace patří možné změny imunitního systému a vrozené vady. Bylo prokázáno, že hluk ze silnic zužuje tepny a zvyšuje krevní tlak. Může dokonce vést k infarktu. Hladina hluku 50 dB v noci zvyšuje produkci kortizolu (stresového hormonu), který způsobuje zúžení tepen a zvyšuje krevní tlak.

Vliv atmosférických podmínek

Atmosférická absorpce zvuku se mění v závislosti na podmínkách prostředí, jako je relativní vlhkost, atmosférický tlak, teplota a vítr. Nižší vlhkost pohlcuje více zvuku, zejména při vyšších frekvencích, a to v důsledku „molekulární relaxace“ plynů ve vzduchu (nejvíce pohlcuje vlhkost na úrovni 10 %). Podstatná změna atmosférického tlaku, která se rovná tisícům metrů převýšení, má u většiny zdrojů malý vliv na hladinu hluku, ale podstatně ovlivňuje přijímané hladiny těchto zvuků.

Důležitější je, že vítr a teplota mohou významně ovlivnit způsob šíření zvukových vln. Vítr může způsobit, že zvuky jsou po větru hlasitější, protože molekuly, kterými se zvukové vlny šíří, se pohybují po větru, místo aby se rovnoměrně rozprostřely ve všech třech rozměrech. Vertikální teplotní gradienty mohou způsobit, že se zvuk láme buď směrem od země (když je teplý vzduch u země pod chladnějším vzduchem nad ním), nebo směrem k zemi (když je chladný vzduch u země zachycen vrstvou teplého vzduchu nad ním, tj. inverzí).

Cíl(e)

Žáci budou schopni:

1. Pochopit vztah mezi intenzitou a hlasitostí zvuku.
2. Měřit hodnoty hladiny zvuku v dB a dBA a převádět je na intenzitu a také pochopit, jak jsou tyto hladiny vnímány člověkem.
3. Vyhledat, jak zvuk ovlivňuje přírodní prostředí i lidi.
4. Rozlišit zvuk a hluk.
5. Analyzovat údaje o zvuku a ukázat, jaký má vliv na životní prostředí a lidské návštěvníky.
6. Vypracovat doporučení týkající se zvuků na určitém místě na základě údajů o hladině zvuku a výzkumu účinků zvuku.
7. Předvídat vliv vlhkosti, teploty a větru na zvuky.

Materiály

1. Měřiče hladiny zvuku, které měří v dB a dBA
2. NPS Natural Sounds and Night Skies website
3. Holt Physics, učebnice Serway a Faughn vydaná v roce 2002 nakladatelstvím Holt, Rinehart, and Winston.
4. Využití internetu k výzkumu.
5. Vzorky dat shromážděné v NHS Herberta Hoovera v roce 2012

Postup

Část 1:

Proberte zvukové vlny, zejména:

• Zvuk se šíří materiálem jako mechanické vlnění. Jedná se o podélné neboli kompresní vlnění.
• Zvuk vzniká, když energie způsobuje přibližování a oddalování částic vzduchu. Čím více se částice přibližují nebo vzdalují, tím větší je amplituda zvuku. Amplituda zvuku způsobuje jeho hlasitost a intenzitu. Čím větší je amplituda, tím je zvuk hlasitější a intenzivnější. Intenzita zvuku se měří ve wattech na metr čtvereční.
• Mezi další vlastnosti zvukových vln patří frekvence v hertzích (kolik vln za sekundu) a vlnová délka (doslova délka jedné vlny, od stlačení ke stlačení).
• Člověk slyší pouze zvuky o frekvenci 20 až 20 000 hertzů. Zvířata mají jiný rozsah a mohou slyšet zvuky, které my neslyšíme.
• Hlučnost je lidské vnímání intenzity zvuku. Často se měří v dB, což je stupnice založená na lidském prahu slyšení (který se udává od 0 dB výše). Stupnice dBA napodobuje rozsah lidského sluchu tím, že filtruje ty vysoké a nízké frekvence, které lidé neslyší tak dobře. Hluk je nepříjemný nebo nežádoucí zvuk a za hlukové znečištění se považují všechny zvuky, které narušují činnost.

Část 2:

Studenti analyzují údaje o hladině zvuku. Použijte údaje poskytnuté s tímto jednotkovým plánem nebo jiné údaje o zvuku (včetně údajů o tom, kde, kdy a za jakých podmínek byly zaznamenány, a o typických zvucích, jako je zpěv ptáků). Studenti mohou vzít zvukoměr do různých oblastí v okolí školy a sbírat data. Studenti by měli zaznamenat čas a podmínky, za kterých data odebírali. Příklady zvukových nahrávek a spektrogramů najdete na webových stránkách NPS Natural Sounds and Night Skies (Přírodní zvuky a noční obloha).

Část 3:

S využitím spolehlivých knih, článků a webových stránek studenti zkoumají, jak zvuky ovlivňují lidi a přírodní prostředí. Mohou zkoumat pozitivní i negativní účinky zvuků různé hlasitosti, intenzity a trvání. Studenti také zkoumají metody, kterými lze snížit intenzitu zvuku.

Část 4:

Studenti se vydají na místo, kde budou zkoumat účinky zvuku, například do blízkého parku. Studenti si přinesou měřiče hladiny zvuku (nejlépe schopné měřit dBA), aby mohli zaznamenávat intenzitu zvuku. Studenti budou poslouchat a zaznamenávat všechny slyšené zvuky po dobu 15 minut. Studenti budou po dobu 10 minut poslouchat a zaznamenávat pouze vlastní zvuky (zvuky typické pro každodenní provoz parku), které mohou být přírodní a kulturní (například zvuk kovářského kladiva v Národním historickém parku Herberta Hoovera). Studenti po dobu 10 minut poslouchají a zaznamenávají vnější zvuky (zvuky, které nejsou typické pro dané místo), jako je například okolní doprava. Při záznamu dat zaznamenávejte pozorování o povětrnostních podmínkách a charakteristikách místa. Diskutujte o tom, které zvuky přispívají k účelu parku a které jsou rušivé nebo nejsou v souladu s tím, aby si návštěvníci park užívali. Studenti mohou také zjistit, kteří živočichové jsou v parku původní, a určit, jak na ně mohou různé zvuky působit.

Část 5:

Použijte údaje a výzkum studentů k posouzení, jak mohou hladiny a intenzita zvuku ovlivňovat místo, které navštívili. Porovnejte údaje s údaji, které již shromáždili jiní. Zvažte, jak mohou hladiny zvuku ovlivňovat přírodní obyvatele parku nebo lidské návštěvníky. Zjistěte více o dopadech na původní druhy. Ústně diskutujte o dopadech a napište osnovu nebo referát o pravděpodobných účincích různých zvuků na obyvatele a návštěvníky, ať už lidské nebo zvířecí. Mohl by se zážitek z parku zlepšit odstraněním nebo omezením některých zvuků? Pokud ano, které zvuky a jak?“

Propojení parku

Zvuky, které jsou pro park přirozené, jsou považovány za přírodní zdroje. Zpěv ptáků, bublání Hooverova potoka a zvuky kováře při práci jsou zvuky typické pro Herbert Hoover National Historic Site. Tyto zvuky, jak přírodní, tak kulturní, byly zvuky, které Herbert Hoover slyšel jako chlapec ve West Branch ve státě Iowa. Jejich ochrana a zachování je součástí poslání Správy národního parku. Návštěvníci parku mohou tyto zvuky slyšet stejně jako vtíravý hluk 21. století, například dopravu na dálnici Interstate 80.

Studenti, kteří studují vlastnosti zvukových vln, jako je intenzita a hlasitost, musí také vidět, jaký vliv mají zvuky na naše životní prostředí, a dokonce i to, jak můžeme případné nežádoucí účinky snížit. Národní historická památka Herberta Hoovera a další národní parky představují ideální příležitost, jak znalosti studentů o vlastnostech zvuku ve třídě posunout o krok dál. Studenti mohou měřit vlastnosti zvuku a následně sledovat, jak ovlivňují životní prostředí a lidi. Studenti se mohou dokonce aktivně podílet na zachování a ochraně národních parků tím, že doporučí způsoby, jak snížit vnější hluk. Jejich doporučení by měla ukázat pochopení vlastností zvuku i charakteru parku.

Materiály

Tabulka údajů o hladině zvuku pořízených v NHS Herberta Hoovera v létě 2012. Ve formátu CSV, který lze otevřít tabulkovým programem.

Stáhnout údaje o hladině zvuku v Herbert Hoover, 2012

.