Sound Intensity & Loudness

Door middel van deze meerdelige activiteit leren de leerlingen over de eigenschappen van geluidsgolven, in het bijzonder over geluidsintensiteit en luidheid. Ze leren hoe ze intensiteit en luidheid kunnen meten, wat het verschil is tussen geluid en lawaai, en wanneer een geluid als geluidsoverlast wordt beschouwd. Met behulp van gegevens zoals intensiteitsmetingen en spectrogrammen, en eenvoudige technieken zoals het luisteren naar en identificeren van geluiden, onderzoeken de leerlingen hoe geluiden mensen en het milieu beïnvloeden. Klassenleraar Lynette Cummings ontwikkelde de activiteiten als onderdeel van het Teacher to Ranger to Teacher Program.

Intensiteit & Luidheid

De intensiteit van een geluid is het vermogen van het geluid in watt gedeeld door het gebied dat het geluid bestrijkt in vierkante meter. De luidheid van een geluid relateert de intensiteit van een bepaald geluid aan de intensiteit bij de gehoordrempel. Het wordt gemeten in decibels (dB). De gehoordrempel van de mens heeft een intensiteit van ongeveer .0000000000001 watt per vierkante meter en komt overeen met 0 decibel. De pijndrempel voor de mens is 1 watt per vierkante meter en komt overeen met 120 dB. Een fluistering is tussen 20 en 30 dB, een luidruchtig gesprek is ongeveer 50 dB, een stofzuiger is ongeveer 70 dB, een grasmaaier is ongeveer 90 dB en een autoclaxon op 1 m afstand is ongeveer 110 dB. Mensen zijn bijzonder gevoelig voor geluiden met een frequentie tussen 2000 en 5000 Hertz. De dBA-schaal heeft een filter zodat de geluidsniveaumeter minder gevoelig is voor laag- en hoogfrequente geluiden, net als het menselijk gehoor. Hij is ook beter geschikt om gehoorschade en spraakstoring bij mensen te meten.

Ruis

“Lawaai” is elk ongewenst geluid of vreemde geluiden (geluid zonder enige functie). Lawaai beïnvloedt de natuurlijke omgeving. Extra geluiden veroorzaken bijvoorbeeld “auditieve maskering”, waardoor een dier minder goed in staat is om communicatie en roofdieren te detecteren. Sommige vogels zingen op een hogere toonhoogte in gebieden met meer lawaai. Omdat vrouwelijke vogels van bepaalde soorten de voorkeur geven aan mannetjes die op een lagere toon zingen omdat dit duidt op volwassenheid, kan dit leiden tot verminderde vogelpopulaties. Andere vogels zingen juist luider in lawaaierige gebieden. Chinese kikkers hebben zelfs hun roep verschoven naar het ultrasone bereik (boven de frequenties die mensen kunnen horen) zodat ze elkaar tijdens het paarseizoen kunnen lokaliseren. Sprokkelvleermuizen (vleermuizen die insecten van de bladeren plukken) jagen niet in lawaaierige gebieden. Lawaai “stresst” in het wild levende dieren ook, waardoor ze minder bestand zijn tegen ziekten. Lawaai heeft zeker invloed op aquatische milieus. Geluid verplaatst zich onder water veel sneller en verder, wat betekent dat een geluidsbron een veel grotere impact kan hebben dan op het land. Studies hebben ook aangetoond dat het laagfrequente geluid in de oceanen, dat grotendeels verband houdt met de toegenomen commerciële scheepvaart, sinds de jaren 1960 met maar liefst 10 dB is toegenomen.

Geluiden kunnen ook een nadelige invloed hebben op mensen. Er is aangetoond dat harde of langdurige geluiden gehoorstoornissen, hypertensie, slaapstoornissen, hinder en ischemische hartziekten (hartziekten die verband houden met een verminderde bloedtoevoer naar het hart) kunnen veroorzaken. Andere complicaties zijn mogelijke veranderingen van het immuunsysteem en geboorteafwijkingen. Het is aangetoond dat lawaai van de weg de slagaders vernauwt en de bloeddruk verhoogt. Het kan zelfs tot hartaanvallen leiden. Geluidsniveaus van 50 dB ’s nachts verhogen de productie van cortisol (een stresshormoon), waardoor de slagaders vernauwen en de bloeddruk stijgt.

Effecten van atmosferische omstandigheden

De absorptie van geluid in de atmosfeer varieert met de omgevingsomstandigheden, zoals relatieve vochtigheid, luchtdruk, temperatuur en wind. Een lagere luchtvochtigheid absorbeert meer geluid, vooral bij hogere frequenties, als gevolg van “moleculaire ontspanning” in de gassen in de lucht (een luchtvochtigheidsgraad van 10% absorbeert het meest). Een aanzienlijke verandering in atmosferische druk, gelijk aan duizenden voet hoogtewinst, heeft een kleine invloed op het geluidsniveau voor de meeste bronnen, maar heeft een aanzienlijke invloed op de ontvangen niveaus van die geluiden.

Nog belangrijker is dat wind en temperatuur een aanzienlijke invloed kunnen hebben op hoe geluidsgolven zich verplaatsen. Wind kan ervoor zorgen dat geluiden benedenwinds luider zijn, omdat de moleculen waardoor geluidsgolven zich voortplanten benedenwinds worden bewogen, in plaats van zich gelijkmatig in alle drie dimensies te verspreiden. Verticale temperatuurgradiënten kunnen ervoor zorgen dat geluid ofwel van de grond af wordt gebroken (wanneer warme lucht dichtbij de grond onder koelere lucht erboven zit) of naar de grond toe wordt gebroken (wanneer koele lucht dichtbij de grond wordt gevangen door een laag warme lucht erboven, d.w.z. een inversie).

Doelstelling(en)

De leerlingen kunnen:

1. Het verband tussen geluidsintensiteit en luidheid begrijpen.
2. Het geluidsniveau meten in dB en dBA en dit omzetten in intensiteit en begrijpen hoe deze niveaus door mensen worden waargenomen.
3. Onderzoeken hoe geluid zowel de natuurlijke omgeving als mensen beïnvloedt.
4. Onderscheid maken tussen geluid en lawaai.
5. Gegevens over geluid analyseren om de effecten ervan op de omgeving en menselijke bezoekers aan te tonen.
6. Aanbevelingen doen over geluid op een bepaalde plaats aan de hand van gegevens over geluidsniveaus en onderzoek naar de effecten van geluid.
7. Het effect van vochtigheid, temperatuur en wind op geluiden voorspellen.

Materialen

1. Geluidsniveaumeters die aflezen in dB en dBA
2. NPS Natural Sounds and Night Skies website
3. Holt Physics, leerboek van Serway en Faughn uitgegeven in 2002 door Holt, Rinehart, and Winston.
4. Gebruik van internet voor onderzoek.
5. Bemonsteringsgegevens verzameld bij Herbert Hoover NHS in 2012

Procedure

Deel 1:

Bekijk geluidsgolven, met name:

• Geluid verplaatst zich door een materiaal als een mechanische golf. De golf is een longitudinale, of samenpersende, golf.
• Geluid ontstaat wanneer luchtdeeltjes door energie dichter bij elkaar komen en verder uit elkaar gaan staan. Hoe dichter de deeltjes bij elkaar komen of hoe verder ze uit elkaar liggen, hoe groter de amplitude van het geluid. De geluidsamplitude bepaalt de luidheid en de intensiteit van een geluid. Hoe groter de amplitude is, hoe luider en intenser het geluid. De geluidsintensiteit wordt gemeten in Watt per meter in het kwadraat.
• Andere eigenschappen van geluidsgolven zijn de frequentie in Hertz (hoeveel golven per seconde), en de golflengte (letterlijk de lengte van één golf, van compressie tot compressie).
• Mensen kunnen alleen geluiden horen tussen 20 en 20.000 Hertz. Dieren hebben een ander bereik en kunnen geluiden horen die wij niet kunnen horen.
• Luidheid is de menselijke perceptie van geluidsintensiteit. Het wordt vaak gemeten in dB, een schaal die gebaseerd is op de menselijke gehoordrempel (die een waarde heeft van 0 dB en hoger). De dBA-schaal bootst het menselijk gehoorbereik na door de hoge en lage frequenties die mensen niet zo goed horen te filteren. Lawaai is onaangenaam of ongewenst geluid, en geluidshinder wordt beschouwd als elk geluid dat activiteiten verstoort.

Deel 2:

Studenten analyseren gegevens over geluidsniveaus. Gebruik de gegevens die bij dit unitplan zijn geleverd of andere geluidsgegevens (inclusief waar, wanneer en de omstandigheden waaronder is opgenomen, en typische geluiden zoals vogelgezang). De leerlingen kunnen een geluidsmeter meenemen naar verschillende plaatsen rond de school om gegevens te verzamelen. De leerlingen moeten noteren op welk tijdstip en onder welke omstandigheden ze de gegevens hebben verzameld. Voorbeelden van geluidsopnamen en spectrogrammen zijn te vinden op de NPS Natural Sounds and Night Skies website.

Deel 3:

Met behulp van betrouwbare boeken, artikelen en websites onderzoeken de leerlingen hoe geluiden de mens en de natuurlijke omgeving beïnvloeden. Ze kunnen zowel de positieve als de negatieve effecten van geluiden van verschillende luidheid, intensiteit en duur onderzoeken. De leerlingen onderzoeken ook methoden waarmee de geluidsintensiteit kan worden verminderd.

Deel 4:

De leerlingen gaan naar de plaats waar ze de effecten van geluid zullen onderzoeken, bijvoorbeeld een park in de buurt. De leerlingen nemen geluidsniveaumeters mee (bij voorkeur geschikt om dBA te meten) om de geluidsintensiteit te registreren. De leerlingen luisteren naar alle geluiden die ze gedurende een periode van 15 minuten horen en nemen die op. De leerlingen luisteren gedurende 10 minuten alleen naar intrinsieke geluiden (geluiden die typisch zijn voor de dagelijkse activiteiten van het park), die natuurlijk en cultureel kunnen zijn (zoals het geluid van een smidshamer in Herbert Hoover National Historic Site) en nemen die op. Leerlingen luisteren naar extrinsieke geluiden (niet typisch voor de plaats), zoals verkeer in de buurt, en nemen die gedurende 10 minuten op. Noteer observaties over weersomstandigheden en kenmerken van de plaats terwijl ze de gegevens noteren. Bespreek welke geluiden bijdragen tot het doel van het park en welke storend zijn of niet stroken met het plezier dat de bezoekers aan het park beleven. De leerlingen kunnen ook nagaan welke dieren inheems zijn in het park en hoe de verschillende geluiden hen kunnen beïnvloeden.

Deel 5:

Gebruik de gegevens en het onderzoek van de leerlingen om te beoordelen hoe de geluidsniveaus en -intensiteit van invloed kunnen zijn op de plaats die ze hebben bezocht. Vergelijk de gegevens met die welke al door anderen zijn verzameld. Ga na hoe de geluidsniveaus van invloed kunnen zijn op de natuurlijke bewoners van het park of de menselijke bezoekers. Onderzoek meer over de effecten op de inheemse soorten. Bespreek de effecten mondeling en schrijf een schets of paper over de waarschijnlijke effecten van verschillende geluiden op de bewoners en bezoekers, mensen of dieren. Zou de parkervaring verbeterd kunnen worden door bepaalde geluiden te elimineren of te verminderen? Zo ja, welke geluiden en hoe?

Park Connections

Geluiden die natuurlijk zijn voor een park worden beschouwd als natuurlijke hulpbronnen. Vogelzang, het borrelen van de Hoover Creek en de geluiden van een smid aan het werk zijn typische geluiden van de Herbert Hoover National Historic Site. Deze geluiden, zowel natuurlijke als culturele, waren geluiden die Herbert Hoover als jongen in West Branch, Iowa, hoorde. De bescherming en het behoud ervan maakt deel uit van de opdracht van de National Park Service. Bezoekers van het park kunnen deze geluiden horen, maar ook het oprukkende lawaai van de 21e eeuw, zoals het verkeer op de Interstate 80.

Studenten die de eigenschappen van geluidsgolven zoals intensiteit en luidheid bestuderen, moeten ook zien welke effecten geluiden op onze omgeving hebben en zelfs hoe we eventuele ongewenste effecten kunnen verminderen. Herbert Hoover National Historic Site en andere nationale parken bieden de perfecte gelegenheid om de kennis van de leerlingen over geluidseigenschappen in de klas een stap verder te brengen. De leerlingen kunnen de geluidseigenschappen meten en dan zien hoe ze het milieu en de mensen beïnvloeden. De leerlingen kunnen zelfs een actieve rol spelen bij het behoud en de bescherming van de Nationale Parken door aanbevelingen te doen om extrinsiek lawaai te verminderen. Hun aanbevelingen moeten blijk geven van inzicht in zowel de geluidseigenschappen als het karakter van het park.

Materialen

Tabel met gegevens over geluidsniveaus die in de zomer van 2012 in Herbert Hoover NHS zijn genomen. In CSV-formaat, dat met een spreadsheetprogramma kan worden geopend.

Download Geluidsniveaugegevens bij Herbert Hoover, 2012