Sound Intensity & Loudness

A tanulók ezen a több részből álló tevékenységen keresztül megismerkednek a hanghullámok tulajdonságaival, különösen a hang intenzitásával és hangerejével. Megtanulják, hogyan lehet mérni az intenzitást és a hangerőt, mi a különbség a hang és a zaj között, és mikor tekinthető egy hang zajszennyezésnek. Az olyan adatok, mint az intenzitásmérések és spektrogramok, valamint olyan egyszerű technikák segítségével, mint a hangok meghallgatása és azonosítása, a tanulók azt kutatják, hogy a hangok hogyan hatnak az emberekre és a környezetre. Lynette Cummings osztályfőnök fejlesztette ki a tevékenységeket a Tanár a Vándor a Tanárnak program részeként.

Intenzitás & Hangerősség

A hang intenzitása a hang teljesítménye wattban, osztva a hang által lefedett területtel négyzetméterben. A hangerősség egy adott hang intenzitását a hallásküszöbön mért intenzitáshoz viszonyítja. Ezt decibelben (dB) mérik. Az emberi hallásküszöb intenzitása körülbelül 0,00000000000000001 watt négyzetméterenként, ami 0 decibelnek felel meg. Az emberi fájdalomküszöb 1 watt per négyzetméter, ami 120 dB-nek felel meg. Egy suttogás 20 és 30 dB között van, egy zajos beszélgetés kb. 50 dB, egy porszívó kb. 70 dB, egy fűnyíró kb. 90 dB, egy autóduda 1 m távolságból kb. 110 dB. Az ember különösen érzékeny a 2000 és 5000 Hertz közötti frekvenciájú hangokra. A dBA-skála szűrővel rendelkezik, így a hangszintmérő az emberi halláshoz hasonlóan kevésbé érzékeny az alacsony és magas frekvenciájú hangokra. Emellett jobban alkalmazkodik az emberek halláskárosodásának és beszédzavarának méréséhez.

Zaj

A “zaj” minden nem kívánt hang vagy idegen hang (funkció nélküli hang). A zaj befolyásolja a természetes környezetet. Például a felesleges hangok “hallásmaszkolást” okoznak, ami csökkenti az állatok képességét a kommunikáció és a ragadozók észlelésére. Egyes madarak magasabb hangmagasságban énekelnek a zajosabb területeken. Mivel egyes fajok nőstény madarai a hímek alacsonyabb hangmagasságú éneklését részesítik előnyben, mivel az érettséget jelez, ez a madárpopulációk csökkenéséhez vezethet. Más madarak egyszerűen csak hangosabban énekelnek a zajos területeken. A kínai békák még az ultrahangtartományba (az ember által hallható frekvenciák fölé) is átállították a hangjukat, hogy a párzási időszakban meg tudják találni egymást. A gyűjtögető denevérek (azok, amelyek rovarokat szednek le a levelekről) nem vadásznak a zajos területeken. A zaj a vadon élő állatokat is “stresszeli”, így kevésbé ellenállóak a betegségekkel szemben. A zaj egyértelműen hatással van a vízi környezetre. A hang sokkal gyorsabban és messzebbre terjed a víz alatt, ami azt jelenti, hogy egy zajforrás sokkal nagyobb hatósugarú lehet, mint a szárazföldön. Tanulmányok azt is kimutatták, hogy az óceánok alacsony frekvenciájú zaja, amely nagyrészt a kereskedelmi hajózás növekedésével függ össze, az 1960-as évek óta akár 10 dB-lel is növekedett.

A hangok az emberekre is károsan hathatnak. A hangos vagy hosszan tartó zajok bizonyítottan halláskárosodást, magas vérnyomást, alvászavart, bosszúságot és ischaemiás szívbetegséget (a szív csökkent véráramlásához kapcsolódó szívbetegség) okoznak. Egyéb szövődmények közé tartoznak az esetleges immunrendszeri változások és születési rendellenességek. A közúti zaj bizonyítottan szűkíti az artériákat és emeli a vérnyomást. Akár szívrohamhoz is vezethet. Az éjszakai 50 dB-es zajszint növeli a kortizol (stresszhormon) termelődését, ami az artériák összeszűkülését és a vérnyomás emelkedését okozza.

A légköri viszonyok hatása

A hang elnyelése a környezeti viszonyok, például a relatív páratartalom, a légköri nyomás, a hőmérséklet és a szél függvényében változik. Az alacsonyabb páratartalom több hangot nyel el, különösen a magasabb frekvenciákon, a levegőben lévő gázok “molekuláris relaxációja” miatt (a 10%-os páratartalom a legelnyelőbb). A légköri nyomás jelentős változása, amely több ezer lábnyi magasságnövekedéssel egyenértékű, a legtöbb forrás esetében kis mértékben befolyásolja a zajszintet, de jelentősen befolyásolja e hangok vételi szintjét.

Még fontosabb, hogy a szél és a hőmérséklet jelentősen befolyásolhatja a hanghullámok terjedését. A szél hatására a hangok hangosabbak lehetnek a széllel szemben, mivel a molekulák, amelyeken keresztül a hanghullámok terjednek, a széllel szemben mozognak, ahelyett, hogy mindhárom dimenzióban egyformán szétterjednének. A függőleges hőmérsékleti gradiensek hatására a hang vagy a talajtól távolodva törik meg (amikor a talajközeli meleg levegő a felette lévő hidegebb levegő alatt van), vagy a talaj felé (amikor a talajközeli hideg levegőt a felette lévő meleg légréteg csapdába ejti, azaz inverzió alakul ki).

Célkitűzés(ek)

A tanulók képesek lesznek:

1. A hangerősség és a hangerősség közötti kapcsolat megértésére.
2. Mérjék a hangerősség mérését dB-ben és dBA-ban, és alakítsák át intenzitássá, valamint értsék meg, hogyan érzékeli ezeket a szinteket az ember.
3. Kutassa, hogyan hat a hang a természeti környezetre, valamint az emberekre.
4. Tegyen különbséget a hang és a zaj között.
5. Elemezzen hangszintadatokat, hogy bemutassa, milyen hatással van a környezetre és az emberi látogatókra.
6. A hangszintadatok és a hang hatásaira vonatkozó kutatások felhasználásával tegyen javaslatokat egy adott hely hangjaira vonatkozóan.
7. Jósolja meg a páratartalom, a hőmérséklet és a szél hatását a hangokra.

Műanyagok

1. Hangszintmérők, amelyek dB-ben és dBA-ban mérnek
2. NPS Natural Sounds and Night Skies honlap
3. Holt Physics, Serway és Faughn tankönyve, amely 2002-ben jelent meg a Holt, Rinehart, and Winston kiadónál.
4. Az internet használata a kutatáshoz.
5. A Herbert Hoover NHS-ben 2012-ben gyűjtött mintaadatok

Procedúra

1. rész:

A hanghullámok áttekintése, különös tekintettel:

• A hang mechanikai hullámként terjed egy anyagon keresztül. A hullám longitudinális vagy kompressziós hullám.
• A hang akkor keletkezik, amikor az energia hatására a levegő részecskéi közelebb kerülnek egymáshoz és távolabb egymástól. Minél közelebb kerülnek a részecskék egymáshoz vagy minél távolabb egymástól, annál nagyobb a hang amplitúdója. A hang amplitúdója okozza a hang hangosságát és intenzitását. Minél nagyobb az amplitúdó, annál hangosabb és intenzívebb a hang. A hang intenzitását négyzetméterenként wattban mérik.
• A hanghullámok további tulajdonságai közé tartozik a frekvencia Hertzben (hány hullám van másodpercenként), és a hullámhossz (szó szerint egy hullám hossza, tömörítéstől tömörítésig).
• Az ember csak 20 és 20 000 Hertz közötti hangokat hall. Az állatok más tartományokkal rendelkeznek, és hallhatnak olyan hangokat, amelyeket mi nem.
• A hangerősség a hang intenzitásának emberi érzékelése. Gyakran dB-ben mérik, amely az emberi hallásküszöbön alapuló skála (amely 0 dB-től felfelé kap mérést). A dBA-skála az emberi hallás tartományát utánozza, kiszűrve azokat a magas és alacsony frekvenciákat, amelyeket az emberek nem hallanak olyan jól. A zaj kellemetlen vagy nem kívánt hangok, és zajszennyezésnek tekintünk minden olyan hangot, amely zavarja a tevékenységeket.

2. rész:

A tanulók hangszintadatokat elemeznek. Használják a jelen egységtervhez mellékelt adatokat vagy más hangadatokat (beleértve a felvétel helyét, idejét és körülményeit, valamint a tipikus hangokat, például a madárcsicsergést). A tanulók elvihetnek egy hangmérőt az iskola különböző területeire, hogy adatokat gyűjtsenek. A tanulóknak fel kell jegyezniük az időpontot és a körülményeket, amikor az adatokat vették. A hangfelvételek és spektrogramok példáit az NPS Natural Sounds and Night Skies weboldalán találják meg.

3. rész:

A tanulók megbízható könyvek, cikkek és weboldalak segítségével kutatják, hogyan hatnak a hangok az emberre és a természeti környezetre. Megvizsgálhatják a különböző hangerősségű, intenzitású és időtartamú hangok pozitív és negatív hatásait. A tanulók olyan módszereket is vizsgálnak, amelyekkel a hangok intenzitása csökkenthető.

4. rész:

A tanulók elmennek arra a helyre, ahol a hangok hatásait fogják vizsgálni, például egy közeli parkba. A tanulók hangszintmérőket hoznak magukkal (lehetőleg dBA mérésre alkalmasakat), hogy feljegyezzék a hangintenzitást. A tanulók 15 perc alatt minden hallott hangot meghallgatnak és feljegyeznek. A tanulók 10 percen keresztül csak a belső hangokat hallgatják és rögzítik (a park napi működésére jellemző hangokat), amelyek lehetnek természetesek és kulturálisak (például a kovács kalapácsának hangja a Herbert Hoover National Historic Site-on). A tanulók 10 percig hallgatják és rögzítik az extrinsic (a helyre nem jellemző) hangokat, például a közeli forgalom hangjait. Az időjárási viszonyokra és a hely jellemzőire vonatkozó megfigyelések rögzítése közben rögzítsék az adatokat. Beszéljék meg, hogy mely hangok járulnak hozzá a park céljához, és melyek azok, amelyek zavaróak vagy nem állnak összhangban azzal, hogy a látogatók élvezzék a parkot. A tanulók azt is meghatározhatják, hogy mely állatok őshonosak a parkban, és meghatározhatják, hogy a különböző hangok hogyan hathatnak rájuk.

5. rész:

A tanulók adatait és kutatásait felhasználva értékeljék, hogy a hangok szintje és intenzitása milyen hatással lehet a meglátogatott helyre. Hasonlítsa össze az adatokat a mások által már összegyűjtött adatokkal. Vegyék figyelembe, hogy a zajszintek hogyan hathatnak a park természetes lakóira vagy az emberi látogatókra. Kutassanak tovább az őshonos fajokra gyakorolt hatásokról. Beszéljék meg szóban a hatásokat, és írjanak vázlatot vagy dolgozatot a különböző hangok valószínűsíthető hatásairól a park lakóira és látogatóira, emberekre vagy állatokra. Lehetne-e javítani a park élményét bizonyos hangok kiküszöbölésével vagy csökkentésével? Ha igen, mely hangok és hogyan?

Parki kapcsolatok

A parkban természetes hangokat természeti erőforrásoknak tekintjük. A madárcsicsergés, a Hoover-patak csobogása és a kovácsmester hangjai a Herbert Hoover National Historic Site-ra jellemző hangok. Ezeket a természetes és kulturális hangokat Herbert Hoover kisfiúként hallotta az iowai West Branchben. Védelmük és megőrzésük a Nemzeti Parkszolgálat küldetésének része. A park látogatói hallhatják ezeket a hangokat, valamint a 21. század betolakodó zaját, például az Interstate 80-as autópálya forgalmát.

A hanghullámok tulajdonságait, például az intenzitást és a hangosságot tanulmányozó tanulóknak azt is látniuk kell, hogy a hangok milyen hatással vannak a környezetünkre, sőt azt is, hogyan csökkenthetjük a nem kívánt hatásokat. A Herbert Hoover National Historic Site és más nemzeti parkok tökéletes lehetőséget nyújtanak arra, hogy a diákok hangtulajdonságokról szerzett tantermi ismereteiket egy lépéssel tovább vigyék. A diákok megmérhetik a hangtulajdonságokat, majd megnézhetik, hogyan hatnak a környezetre és az emberekre. A diákok akár aktív szerepet is vállalhatnak a nemzeti parkok megőrzésében és védelmében azáltal, hogy javaslatokat tesznek a külső zajok csökkentésére. Ajánlásaiknak a hangtulajdonságok, valamint a park jellegének megértéséről kell tanúskodniuk.

Műanyagok

Táblázat a Herbert Hoover NHS-ben 2012 nyarán mért hangszintadatokról. CSV formátumban, amely egy táblázatkezelő programmal megnyitható.

Hangszint adatok letöltése Herbert Hooverben, 2012