Sound Intensity & Loudness

Oppiaine: Oppiaine: Oppiaine: Oppiaine: 1: Oppiaine: Luonnontieteet Valtakunnalliset standardit: Iowa Core: SS.9-12.H.1, 21.9-12.TL.3, 21.9-12.TL.4, 21.9-12.TL.5; Next Generation Science Standards: PS4: Aaltojen ominaisuudet

Tässä moniosaisessa tehtävässä oppilaat tutustuvat ääniaaltojen ominaisuuksiin, erityisesti äänen voimakkuuteen ja äänekkyyteen. He oppivat, miten intensiteettiä ja äänekkyyttä mitataan, mitä eroa on äänen ja melun välillä ja milloin ääntä pidetään melusaasteena. Käyttämällä tietoja, kuten intensiteettilukemia ja spektrogramme, sekä yksinkertaisia tekniikoita, kuten äänien kuuntelua ja tunnistamista, oppilaat tutkivat, miten äänet vaikuttavat ihmisiin ja ympäristöön. Luokanopettaja Lynette Cummings kehitti aktiviteetit osana Teacher to Ranger to Teacher -ohjelmaa.

Intensiteetti & Loudness

Äänen voimakkuus on äänen teho watteina jaettuna äänen peittämällä alueella neliömetreinä. Äänen voimakkuus suhteuttaa minkä tahansa äänen voimakkuuden voimakkuuteen kuulokynnyksellä. Se mitataan desibeleinä (dB). Ihmisen kuulokynnyksen voimakkuus on noin 0,0000000000001 wattia neliömetriä kohti ja vastaa 0 desibeliä. Ihmisen kipukynnys on 1 wattia neliömetriä kohti ja vastaa 120 dB. Kuiskaus on 20-30 dB, meluisa keskustelu noin 50 dB, pölynimuri noin 70 dB, ruohonleikkuri noin 90 dB ja auton torvi 1 metrin päästä noin 110 dB. Ihminen on erityisen herkkä äänille, joiden taajuus vaihtelee 2000 ja 5000 hertsin välillä. DBA-asteikossa on suodatin, joten äänitasomittari ei ole yhtä herkkä matala- ja korkeataajuisille äänille kuin ihmisen kuulo. Se soveltuu myös paremmin ihmisten kuulovaurioiden ja puhehäiriöiden mittaamiseen.

Melu

”Melu” on mikä tahansa ei-toivottu ääni tai vieras ääni (ääni, jolla ei ole merkitystä). Melu vaikuttaa luonnonympäristöön. Esimerkiksi ylimääräiset äänet aiheuttavat ”kuulon peittymistä”, joka heikentää eläimen kykyä havaita viestintää ja saalistajia. Jotkut linnut laulavat korkeammalla äänenkorkeudella meluisammilla alueilla. Koska tiettyjen lajien naaraspuoliset linnut suosivat miehiä, jotka laulavat matalammalla äänenkorkeudella, koska se on merkki sukukypsyydestä, tämä voi johtaa lintupopulaatioiden vähenemiseen. Toiset linnut saattavat vain laulaa kovempaa meluisilla alueilla. Kiinalaiset sammakot ovat jopa siirtäneet ääntelynsä ultraäänialueelle (ihmisten kuultavissa olevien taajuuksien yläpuolelle), jotta ne voivat paikantaa toisensa paritteluaikana. Poimulepakot (hyönteisiä lehdistä poimivat lepakot) eivät metsästä meluisilla alueilla. Melu myös ”stressaa” villieläimiä, mikä heikentää niiden vastustuskykyä tauteja vastaan. Melu vaikuttaa ehdottomasti vesiympäristöihin. Ääni kulkee veden alla paljon nopeammin ja kauemmas, mikä tarkoittaa, että melulähteen vaikutusalue voi olla paljon suurempi kuin maalla. Tutkimukset ovat myös osoittaneet, että merten matalataajuinen melu, joka liittyy suurelta osin lisääntyneeseen kaupalliseen merenkulkuun, on lisääntynyt jopa 10 dB 1960-luvulta lähtien.

Äänet voivat vaikuttaa haitallisesti myös ihmisiin. Kovien tai pitkäkestoisten äänien on osoitettu aiheuttavan kuulon heikkenemistä, verenpainetautia, unihäiriöitä, ärsytystä ja iskeemistä sydänsairautta (sydänsairaus, joka liittyy sydämen heikentyneeseen verenkiertoon). Muita komplikaatioita ovat mahdolliset immuunijärjestelmän muutokset ja syntymäviat. Tiemelun on osoitettu supistavan valtimoita ja nostavan verenpainetta. Se voi jopa johtaa sydänkohtauksiin. Yöllä 50 dB:n melutasot lisäävät kortisolin (stressihormoni) tuotantoa, joka supistaa valtimoita ja nostaa verenpainetta.

Atmosfääriolosuhteiden vaikutus

Atmosfäärin äänen absorptio vaihtelee ympäristöolosuhteiden, kuten suhteellisen kosteuden, ilmanpaineen, lämpötilan ja tuulen mukaan. Alhaisempi ilmankosteus absorboi enemmän ääntä, erityisesti korkeammilla taajuuksilla, koska ilman kaasujen ”molekyylit rentoutuvat” (10 %:n ilmankosteus absorboi eniten). Huomattava muutos ilmanpaineessa, joka vastaa tuhansien metrien korkeuseroa, vaikuttaa vain vähän melutasoon useimpien äänilähteiden kohdalla, mutta se vaikuttaa merkittävästi näiden äänien vastaanotettaviin tasoihin.

Vielä tärkeämpää on, että tuuli ja lämpötila voivat vaikuttaa merkittävästi siihen, miten ääniaallot etenevät. Tuuli voi aiheuttaa sen, että äänet ovat kovempia tuulen alapuolella, koska molekyylit, joiden kautta ääniaallot etenevät, liikkuvat tuulen alapuolella sen sijaan, että ne leviäisivät tasaisesti kaikkiin kolmeen ulottuvuuteen. Pystysuuntaiset lämpötilagradientit voivat aiheuttaa sen, että ääni joko taittuu poispäin maasta (kun maanpinnan lähellä oleva lämmin ilma on yläpuolella olevan viileämmän ilman alla) tai kohti maata (kun maanpinnan lähellä oleva viileä ilma jää yläpuolella olevan lämpimän ilmakerroksen vangiksi, eli kyseessä on inversio).

Tavoite(t)

Opiskelijat osaavat:

1. Ymmärtää äänen voimakkuuden ja äänekkyyden välisen suhteen.
2. Mittaamaan äänitasolukemia dB:nä ja dBA:na ja muuntamaan ne voimakkuudeksi sekä ymmärtämään, miten ihmiset havaitsevat nämä äänitasot.
3. Tutkia, miten ääni vaikuttaa luonnonympäristöön sekä ihmisiin.
4. Erottaa ääni ja melu toisistaan.
5. Analysoida äänitietoja osoittaakseen, miten ääni vaikuttaa ympäristöön ja ihmisiin, jotka vierailevat siellä.
6. Tehdä suosituksia äänistä tietyssä paikassa äänitasotietoja ja äänten vaikutuksia koskevia tutkimuksia hyödyntäen.
7. Ennustaa kosteuden, lämpötilan ja tuulen vaikutusta ääniin.

Materiaalit

1. Äänitasomittarit, jotka lukevat dB:nä ja dBA:na
2. NPS:n Natural Sounds and Night Skies -verkkosivusto
3. Holt Physics, Serwayn ja Faughnin kirjoittama oppikirja, jonka on julkaissut vuonna 2002 kustantamo Holt, Rinehart, and Winston.
4. Internetin käyttö tutkimuksessa.
5. Sample data collected at Herbert Hoover NHS in 2012

Procedure

Part 1:

Review sound waves, especially:

• Sound travels through a material as a mechanical wave. Aalto on pitkittäisaalto eli puristusaalto.
• Ääni syntyy, kun energia saa ilmahiukkaset liikkumaan lähemmäs toisiaan ja kauemmas toisistaan. Mitä lähempänä hiukkaset ovat tai mitä kauempana ne ovat toisistaan, sitä suurempi on äänen amplitudi. Äänen amplitudi aiheuttaa äänen äänekkyyden ja voimakkuuden. Mitä suurempi amplitudi on, sitä kovempi ja voimakkaampi ääni on. Äänen voimakkuus mitataan watteina neliömetriä kohti.
• Muita ääniaaltojen ominaisuuksia ovat taajuus hertseinä (kuinka monta aaltoa sekunnissa) ja aallonpituus (kirjaimellisesti yhden aallon pituus puristuksesta puristukseen).
• Ihminen kuulee ääniä vain 20 ja 20 000 hertsin välillä. Eläimillä on eri taajuusalueet, ja ne voivat kuulla ääniä, joita me emme kuule.
• Kovaäänisyys on ihmisen käsitys äänen voimakkuudesta. Se mitataan usein dB:nä, joka on asteikko, joka perustuu ihmisen kuulokynnykseen (joka mitataan 0 dB:stä ylöspäin). DBA-asteikko jäljittelee ihmisen kuuloaluetta suodattamalla ne korkeat ja matalat taajuudet, joita ihmiset eivät kuule yhtä hyvin. Melu on epämiellyttävää tai ei-toivottua ääntä, ja melusaasteeksi katsotaan kaikki äänet, jotka häiritsevät toimintaa.

Osa 2:

Opiskelijat analysoivat äänitasotietoja. Käytä tämän yksikkösuunnitelman mukana toimitettuja tietoja tai muita äänitietoja (mukaan lukien paikka, aika ja olosuhteet, joissa äänitettiin, sekä tyypilliset äänet, kuten linnunlaulu). Oppilaat voivat viedä äänimittarin eri puolille koulua keräämään tietoja. Oppilaiden tulisi kirjata ylös aika ja olosuhteet, jolloin he ottivat näytteitä. Löydät esimerkkejä äänitallenteista ja spektrogrammeista NPS:n Natural Sounds and Night Skies -sivustolta.

Part 3:

Luotettavien kirjojen, artikkeleiden ja verkkosivujen avulla oppilaat tutkivat, miten äänet vaikuttavat ihmisiin ja luonnonympäristöön. He voivat tutkia sekä myönteisiä että kielteisiä vaikutuksia, joita eri äänekkyyden, voimakkuuden ja keston omaavilla äänillä on. Oppilaat tutkivat myös menetelmiä, joilla äänen voimakkuutta voidaan vähentää.

Part 4:

Opiskelijat menevät paikkaan, jossa he tutkivat äänen vaikutuksia, esimerkiksi läheiseen puistoon. Oppilaat tuovat mukanaan äänitasomittarit (jotka mieluiten pystyvät mittaamaan dBA:ta) äänen voimakkuuden kirjaamista varten. Oppilaat kuuntelevat ja kirjaavat ylös kaikki kuullut äänet 15 minuutin aikana. Oppilaat kuuntelevat ja nauhoittavat 10 minuutin ajan vain luontaisia ääniä (puiston päivittäiselle toiminnalle tyypillisiä ääniä), jotka voivat olla luonnollisia ja kulttuurisia (kuten sepän vasaran ääni Herbert Hoover National Historic Site -puistossa). Oppilaat kuuntelevat ja nauhoittavat 10 minuutin ajan ulkoisia ääniä (jotka eivät ole tyypillisiä paikalle), kuten läheisen liikenteen ääniä. Kirjaa havainnot sääolosuhteista ja paikan ominaispiirteistä samalla, kun nauhoitat tietoja. Keskustelkaa siitä, mitkä äänet edistävät puiston tarkoitusta ja mitkä ovat häiritseviä tai eivät sovi yhteen sen kanssa, että kävijät nauttivat puistosta. Oppilaat saattavat myös haluta selvittää, mitkä eläimet ovat puiston kotoperäisiä ja miten eri äänet voivat vaikuttaa niihin.

Osa 5:

Käyttäkää oppilaiden tietoja ja tutkimuksia arvioidaksenne, miten äänitasot ja -voimakkuudet voivat vaikuttaa heidän käymäänsä paikkaan. Vertaile tietoja muiden jo keräämiin tietoihin. Pohtikaa, miten äänitasot saattavat vaikuttaa puiston luonnollisiin asukkaisiin tai ihmiskävijöihin. Tutkikaa lisää vaikutuksista alkuperäisiin lajeihin. Keskustelkaa vaikutuksista suullisesti ja kirjoittakaa luonnos tai paperi erilaisten äänien todennäköisistä vaikutuksista asukkaisiin ja vierailijoihin, ihmisiin tai eläimiin. Voisiko puistokokemusta parantaa poistamalla tai vähentämällä tiettyjä ääniä? Jos kyllä, mitä ääniä ja miten?

Puiston yhteydet

Puistolle luontaisia ääniä pidetään luonnonvaroina. Linnunlaulu, Hoover Creekin kuohunta ja sepän äänet työssään ovat Herbert Hoover National Historic Site -puistolle tyypillisiä ääniä. Nämä äänet, sekä luonnolliset että kulttuuriset, olivat ääniä, joita Herbert Hoover kuuli poikasena West Branchissa, Iowassa. Niiden suojeleminen ja säilyttäminen on osa National Park Servicen tehtävää. Puistossa vierailevat saattavat kuulla näitä ääniä samoin kuin 2000-luvun melua, kuten liikennettä Interstate 80:llä.

Opiskelijoiden, jotka tutkivat ääniaaltojen ominaisuuksia, kuten voimakkuutta ja äänekkyyttä, on myös nähtävä, millaisia vaikutuksia äänillä on ympäristöömme ja jopa se, miten voimme vähentää mahdollisia ei-toivottuja vaikutuksia. Herbert Hoover National Historic Site ja muut kansallispuistot tarjoavat täydellisen tilaisuuden viedä oppilaiden luokkahuoneessa saamat tiedot äänen ominaisuuksista askeleen pidemmälle. Oppilaat voivat mitata äänen ominaisuuksia ja nähdä sitten, miten ne vaikuttavat ympäristöön ja ihmisiin. Oppilaat voivat jopa ottaa aktiivisen roolin kansallispuistojen säilyttämisessä ja suojelemisessa suosittelemalla keinoja ulkoisen melun vähentämiseksi. Heidän suositustensa tulisi osoittaa, että he ymmärtävät sekä äänen ominaisuuksia että puiston luonnetta.

Materiaalit

Taulukko Herbert Hoover NHS:ssä kesällä 2012 otetuista äänitasotiedoista. CSV-muodossa, jonka voi avata taulukkolaskentaohjelmalla.

Lataa äänitasotiedot Herbert Hooverissa, 2012