Schallintensität und Lautstärke

Durch diese mehrteilige Aktivität lernen die Schülerinnen und Schüler die Eigenschaften von Schallwellen kennen, insbesondere Schallintensität und Lautstärke. Sie lernen, wie man Intensität und Lautstärke misst, den Unterschied zwischen Schall und Lärm und wann ein Geräusch als Lärmbelästigung gilt. Anhand von Daten wie Intensitätsmessungen und Spektrogrammen und einfachen Techniken wie dem Hören und Identifizieren von Geräuschen erforschen die Schüler, wie sich Geräusche auf Menschen und die Umwelt auswirken. Die Klassenlehrerin Lynette Cummings hat die Aktivitäten im Rahmen des Programms „Teacher to Ranger to Teacher“ entwickelt.

Intensität &Lautheit

Die Intensität eines Geräuschs ist die Leistung des Geräuschs in Watt geteilt durch die Fläche, die das Geräusch in Quadratmetern abdeckt. Die Lautheit eines Geräusches setzt die Intensität eines Geräusches ins Verhältnis zur Intensität an der Hörschwelle. Sie wird in Dezibel (dB) gemessen. Die menschliche Hörschwelle hat eine Intensität von etwa 0,0000000000001 Watt pro Quadratmeter und entspricht 0 Dezibel. Die Schmerzgrenze des Menschen liegt bei 1 Watt pro Quadratmeter und entspricht 120 dB. Ein Flüstern liegt zwischen 20 und 30 dB, ein lautes Gespräch bei etwa 50 dB, ein Staubsauger bei etwa 70 dB, ein Rasenmäher bei etwa 90 dB und eine Autohupe in 1 m Entfernung bei etwa 110 dB. Der Mensch reagiert besonders empfindlich auf Töne mit einer Frequenz zwischen 2000 und 5000 Hertz. Die dBA-Skala verfügt über einen Filter, so dass der Schallpegelmesser weniger empfindlich auf tiefe und hohe Frequenzen reagiert, genau wie das menschliche Gehör. Sie ist auch besser geeignet, um Hörschäden und Sprachstörungen beim Menschen zu messen.

Lärm

„Lärm“ ist jeder unerwünschte Schall oder Fremdschall (Schall ohne Funktion). Lärm beeinträchtigt die natürliche Umwelt. Zum Beispiel verursachen zusätzliche Geräusche eine „auditive Maskierung“, die die Fähigkeit eines Tieres verringert, Kommunikation und Raubtiere zu erkennen. Manche Vögel singen in lauteren Gegenden in einer höheren Tonlage. Da die Weibchen bestimmter Vogelarten die Männchen bevorzugen, die in einer niedrigeren Tonlage singen, da dies ein Zeichen für Reife ist, kann dies zu einem Rückgang der Vogelpopulationen führen. Andere Vögel singen in lauten Gegenden einfach lauter. Chinesische Frösche haben ihre Rufe sogar in den Ultraschallbereich verlagert (oberhalb der für Menschen hörbaren Frequenzen), damit sie sich während der Paarungszeit gegenseitig orten können. Fledermäuse (die Insekten von den Blättern zupfen) jagen nicht in lauten Gebieten. Lärm stresst“ auch Wildtiere und macht sie weniger widerstandsfähig gegen Krankheiten. Lärm wirkt sich eindeutig auf die aquatische Umwelt aus. Schall breitet sich unter Wasser viel schneller und weiter aus, was bedeutet, dass eine Lärmquelle einen viel größeren Wirkungsradius haben kann als an Land. Studien haben auch gezeigt, dass der tieffrequente Lärm in den Ozeanen, der größtenteils auf den zunehmenden kommerziellen Schiffsverkehr zurückzuführen ist, seit den 1960er Jahren um bis zu 10 dB zugenommen hat.

Geräusche können auch den Menschen beeinträchtigen. Laute oder anhaltende Geräusche verursachen nachweislich Hörschäden, Bluthochdruck, Schlafstörungen, Belästigung und ischämische Herzkrankheiten (Herzkrankheiten, die mit einem verminderten Blutfluss zum Herzen zusammenhängen). Weitere Komplikationen sind mögliche Veränderungen des Immunsystems und Geburtsfehler. Es ist erwiesen, dass Straßenlärm die Arterien verengt und den Blutdruck erhöht. Er kann sogar zu Herzinfarkten führen. Lärmpegel von 50 dB in der Nacht erhöhen die Produktion von Cortisol (einem Stresshormon), das die Arterien verengt und den Blutdruck erhöht.

Auswirkungen der atmosphärischen Bedingungen

Die Schallabsorption in der Atmosphäre hängt von den Umgebungsbedingungen wie relative Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Temperatur und Wind ab. Eine geringere Luftfeuchtigkeit absorbiert mehr Schall, vor allem bei höheren Frequenzen, da sich die Gase in der Luft auf molekularer Ebene entspannen (eine Luftfeuchtigkeit von 10 % absorbiert am meisten). Eine wesentliche Änderung des Luftdrucks, die einem Höhenunterschied von mehreren tausend Metern entspricht, hat bei den meisten Schallquellen nur einen geringen Einfluss auf den Geräuschpegel, wirkt sich aber erheblich auf den Empfangspegel dieser Geräusche aus.

Noch wichtiger ist, dass Wind und Temperatur die Ausbreitung der Schallwellen erheblich beeinflussen können. Wind kann dazu führen, dass Geräusche in Windrichtung lauter sind, da die Moleküle, durch die sich die Schallwellen ausbreiten, in Windrichtung bewegt werden, anstatt sich gleichmäßig in allen drei Dimensionen auszubreiten. Vertikale Temperaturgradienten können dazu führen, dass der Schall entweder vom Boden weg gebrochen wird (wenn sich warme Luft in Bodennähe unter kühlerer Luft darüber befindet) oder zum Boden hin (wenn kühle Luft in Bodennähe von einer darüber liegenden warmen Luftschicht eingeschlossen wird, d. h. eine Inversion).

Ziel(e)

Die Schüler können:

1. Die Beziehung zwischen Schallintensität und Lautstärke verstehen.
2. Schallpegel in dB und dBA messen und in Intensität umrechnen sowie verstehen, wie diese Pegel vom Menschen wahrgenommen werden.
3. Untersuchen, wie Schall auf die natürliche Umwelt und den Menschen wirkt.
4. Unterscheiden zwischen Schall und Lärm.
5. Analysieren Schalldaten, um die Auswirkungen auf die Umwelt und die menschlichen Besucher aufzuzeigen.
6. Empfehlungen für Geräusche an einem bestimmten Ort geben, indem sie Schallpegeldaten und Untersuchungen über die Auswirkungen von Schall verwenden.
7. Die Auswirkungen von Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Wind auf Geräusche vorhersagen.

Materialien

1. Schallpegelmesser, die in dB und dBA ablesen
2. NPS Natural Sounds and Night Skies website
3. Holt Physics, Lehrbuch von Serway und Faughn, erschienen 2002 bei Holt, Rinehart, and Winston.
4. Nutzung des Internets für die Recherche.
5. Probendaten, die 2012 am Herbert Hoover NHS gesammelt wurden

Vorgehensweise

Teil 1:

Besprechung von Schallwellen, insbesondere:

• Schall breitet sich durch ein Material als mechanische Welle aus. Die Welle ist eine Longitudinal- oder Kompressionswelle.
• Schall entsteht, wenn sich Luftteilchen durch Energie näher zusammen und weiter auseinander bewegen. Je näher die Teilchen zusammenkommen oder je weiter sie sich voneinander entfernen, desto größer ist die Amplitude des Schalls. Die Schallamplitude bestimmt die Lautstärke und Intensität des Schalls. Je größer die Amplitude ist, desto lauter und intensiver ist der Schall. Die Schallintensität wird in Watt pro Quadratmeter gemessen.
• Weitere Eigenschaften von Schallwellen sind die Frequenz in Hertz (wie viele Wellen pro Sekunde) und die Wellenlänge (buchstäblich die Länge einer Welle, von Kompression zu Kompression).
• Menschen können nur Töne zwischen 20 und 20.000 Hertz hören. Tiere haben andere Bereiche und können Töne hören, die wir nicht hören können.
• Lautheit ist die menschliche Wahrnehmung der Schallintensität. Sie wird häufig in dB gemessen, einer Skala, die auf der menschlichen Hörschwelle basiert (die von 0 dB aufwärts gemessen wird). Die dBA-Skala ahmt den menschlichen Hörbereich nach, indem sie die hohen und niedrigen Frequenzen herausfiltert, die Menschen nicht so gut hören. Lärm sind unangenehme oder unerwünschte Geräusche, und als Lärmbelästigung gelten alle Geräusche, die Aktivitäten stören.

Teil 2:

Die Schüler analysieren Daten zum Schallpegel. Verwenden Sie die Daten, die mit dieser Unterrichtseinheit zur Verfügung gestellt werden, oder andere Schalldaten (einschließlich des Ortes, der Zeit und der Bedingungen, unter denen sie aufgenommen wurden, sowie typische Geräusche wie Vogelgezwitscher). Die Schüler können mit einem Schallmessgerät an verschiedenen Orten in der Schule Daten sammeln. Die Schüler sollten die Zeit und die Bedingungen, unter denen sie die Daten gesammelt haben, aufzeichnen. Beispiele für Geräuschaufnahmen und Spektrogramme finden Sie auf der Website des NPS Natural Sounds and Night Skies.

Teil 3:

Die Schüler recherchieren mithilfe zuverlässiger Bücher, Artikel und Websites, wie Geräusche den Menschen und die natürliche Umwelt beeinflussen. Sie können sowohl positive als auch negative Auswirkungen von Geräuschen unterschiedlicher Lautstärke, Intensität und Dauer untersuchen. Die Schüler untersuchen auch Methoden, mit denen die Schallintensität verringert werden kann.

Teil 4:

Die Schüler begeben sich an den Ort, an dem sie die Auswirkungen von Schall untersuchen werden, z. B. in einen nahe gelegenen Park. Die Schüler bringen Schallpegelmesser (vorzugsweise zur Messung von dBA) mit, um die Schallintensität aufzuzeichnen. Die Schüler hören zu und zeichnen alle Geräusche auf, die sie über einen Zeitraum von 15 Minuten hören. Die Schüler hören 10 Minuten lang nur intrinsische Geräusche (Geräusche, die für den täglichen Betrieb des Parks typisch sind), die sowohl natürlicher als auch kultureller Art sein können (z. B. das Geräusch eines Schmiedehammers in der Herbert Hoover National Historic Site). Die Schüler hören 10 Minuten lang Geräusche von außen (die nicht typisch für den Ort sind), z. B. den Verkehr in der Nähe. Halten Sie während der Aufzeichnung der Daten Beobachtungen zu den Wetterbedingungen und den Merkmalen des Ortes fest. Diskutieren Sie, welche Geräusche zum Zweck des Parks beitragen und welche Geräusche störend sind oder nicht dazu beitragen, dass die Besucher den Park genießen können. Die Schüler können auch herausfinden, welche Tiere im Park heimisch sind und wie sich die verschiedenen Geräusche auf sie auswirken.

Teil 5:

Nutzen Sie die Daten und die Recherchen der Schüler, um zu beurteilen, wie sich die Geräuschpegel und -intensitäten auf den von ihnen besuchten Ort auswirken. Vergleichen Sie die Daten mit denen, die bereits von anderen gesammelt wurden. Überlegen Sie, wie sich der Schallpegel auf die natürlichen Bewohner des Parks oder die menschlichen Besucher auswirken könnte. Recherchieren Sie mehr über die Auswirkungen auf die einheimischen Arten. Diskutieren Sie die Auswirkungen mündlich und verfassen Sie eine Skizze oder einen Aufsatz über die wahrscheinlichen Auswirkungen der verschiedenen Geräusche auf die Bewohner und Besucher, ob Mensch oder Tier. Könnte das Parkerlebnis durch die Beseitigung oder Reduzierung bestimmter Geräusche verbessert werden? Wenn ja, welche Geräusche und wie?

Park Connections

Geräusche, die für einen Park natürlich sind, werden als natürliche Ressourcen betrachtet. Vogelgezwitscher, das Sprudeln des Hoover Creek und die Geräusche eines Schmieds bei der Arbeit sind typische Geräusche der Herbert Hoover National Historic Site. Diese Geräusche, sowohl natürliche als auch kulturelle, hörte Herbert Hoover als Junge in West Branch, Iowa. Sie zu schützen und zu bewahren ist Teil der Aufgabe des National Park Service. Besucher des Parks können diese Geräusche ebenso hören wie den eindringenden Lärm des 21. Jahrhunderts wie den Verkehr auf der Interstate 80.

Schüler, die sich mit den Eigenschaften von Schallwellen wie Intensität und Lautstärke befassen, müssen auch sehen, welche Auswirkungen Geräusche auf unsere Umwelt haben und wie wir unerwünschte Auswirkungen verringern können. Die Herbert Hoover National Historic Site und andere Nationalparks bieten die perfekte Gelegenheit, das im Unterricht erworbene Wissen über Schalleigenschaften noch einen Schritt weiter zu bringen. Die Schüler können die Schalleigenschaften messen und dann sehen, wie sie sich auf die Umwelt und die Menschen auswirken. Die Schüler können sogar eine aktive Rolle bei der Erhaltung und dem Schutz der Nationalparks übernehmen, indem sie Vorschläge zur Verringerung des Fremdschalls machen. Ihre Empfehlungen sollten ein Verständnis der Schalleigenschaften sowie des Charakters des Parks zeigen.

Materialien

Tabelle der Schallpegeldaten, die im Herbert Hoover NHS im Sommer 2012 aufgenommen wurden. Im CSV-Format, das mit einem Tabellenkalkulationsprogramm geöffnet werden kann.

Download Sound Level Data at Herbert Hoover, 2012