Natężenie dźwięku i głośność

Poprzez to wieloczęściowe ćwiczenie, uczniowie poznają właściwości fal dźwiękowych, szczególnie natężenie dźwięku i głośność. Dowiedzą się jak mierzyć natężenie i głośność, jaka jest różnica między dźwiękiem a hałasem i kiedy dźwięk jest uważany za zanieczyszczenie hałasem. Wykorzystując dane, takie jak odczyty natężenia dźwięku i spektrogramy oraz proste techniki, takie jak słuchanie i identyfikowanie dźwięków, uczniowie badają, w jaki sposób dźwięki wpływają na ludzi i środowisko. Nauczycielka klasy Lynette Cummings opracowała te zajęcia w ramach programu Nauczyciel do Strażnika do Nauczyciela.

Intensywność & Głośność

Intensywność dźwięku to moc dźwięku w watach podzielona przez obszar, który dźwięk obejmuje w metrach kwadratowych. Głośność dźwięku odnosi natężenie danego dźwięku do natężenia na progu słyszalności. Mierzy się ją w decybelach (dB). Próg słyszalności człowieka ma natężenie około .000000000000001 watów na metr kwadratowy i odpowiada 0 decybelom. Próg bólu dla człowieka wynosi 1 wat na metr kwadratowy i odpowiada 120 dB. Szept ma wartość od 20 do 30 dB, głośna rozmowa ok. 50 dB, odkurzacz ok. 70 dB, kosiarka ok. 90 dB, a klakson samochodowy w odległości 1 m ok. 110 dB. Ludzie są szczególnie wrażliwi na dźwięki o częstotliwości od 2000 do 5000 herców. Skala dBA posiada filtr, dzięki czemu miernik poziomu dźwięku jest mniej wrażliwy na dźwięki o niskiej i wysokiej częstotliwości, tak jak ludzki słuch. Jest również lepiej przystosowany do pomiaru uszkodzeń słuchu i zakłóceń mowy u ludzi.

Hałas

„Hałas” to każdy niepożądany dźwięk lub dźwięki obce (dźwięk bez żadnej funkcji). Hałas wpływa na środowisko naturalne. Na przykład, dodatkowe dźwięki powodują „maskowanie słuchowe”, które zmniejsza zdolność zwierząt do wykrywania komunikacji i drapieżników. Niektóre ptaki śpiewają w głośniejszych miejscach na wyższym poziomie. Ponieważ samice niektórych gatunków ptaków wolą samców śpiewających na niższym tonie, ponieważ oznacza to dojrzałość, może to prowadzić do zmniejszenia populacji ptaków. Inne ptaki mogą po prostu śpiewać głośniej w hałaśliwych miejscach. Chińskie żaby przestawiły nawet swoje nawoływania na zakres ultradźwięków (powyżej częstotliwości słyszalnych dla człowieka), aby mogły się wzajemnie lokalizować w okresie godowym. Nietoperze grzebiące (te, które skubią owady z liści) nie będą polować w hałaśliwych miejscach. Hałas również „stresuje” dzikie zwierzęta, czyniąc je mniej odpornymi na choroby. Hałas zdecydowanie wpływa na środowisko wodne. Dźwięk przemieszcza się znacznie szybciej i dalej pod wodą, co oznacza, że źródło hałasu może mieć znacznie większy promień oddziaływania niż na lądzie. Badania wykazały również, że hałas o niskiej częstotliwości w oceanach, w dużej mierze związany ze zwiększoną komercyjną żeglugą, wzrósł aż o 10 dB od lat 60-tych.

Dźwięki mogą również negatywnie wpływać na ludzi. Wykazano, że głośne lub długotrwałe dźwięki powodują upośledzenie słuchu, nadciśnienie, zaburzenia snu, irytację i chorobę niedokrwienną serca (choroba serca związana ze zmniejszonym przepływem krwi do serca). Inne powikłania obejmują możliwe zmiany w układzie odpornościowym i wady wrodzone. Wykazano, że hałas drogowy powoduje zwężenie tętnic i podwyższenie ciśnienia krwi. Może on nawet prowadzić do zawału serca. Hałas o poziomie 50 dB w nocy zwiększa produkcję kortyzolu (hormonu stresu), który powoduje zwężenie tętnic i podwyższa ciśnienie krwi.

Wpływ warunków atmosferycznych

Atmosferyczna absorpcja dźwięku zmienia się w zależności od warunków środowiskowych, takich jak wilgotność względna, ciśnienie atmosferyczne, temperatura i wiatr. Niższa wilgotność pochłania więcej dźwięku, szczególnie przy wyższych częstotliwościach, z powodu „relaksacji molekularnej” w gazach w powietrzu (poziom 10% wilgotności pochłania najwięcej). Znacząca zmiana ciśnienia atmosferycznego, odpowiadająca tysiącom stóp wzrostu wysokości, ma niewielki wpływ na poziom hałasu dla większości źródeł, ale znacząco wpływa na odbierane poziomy tych dźwięków.

Co ważniejsze, wiatr i temperatura mogą znacząco wpływać na sposób przemieszczania się fal dźwiękowych. Wiatr może powodować, że dźwięki są głośniejsze pod wiatr, ponieważ cząsteczki, przez które rozchodzą się fale dźwiękowe, są przemieszczane pod wiatr, zamiast rozprzestrzeniać się równomiernie we wszystkich trzech wymiarach. Pionowe gradienty temperatury mogą powodować, że dźwięk albo załamuje się z dala od ziemi (gdy ciepłe powietrze w pobliżu ziemi znajduje się pod chłodniejszym powietrzem powyżej) lub w kierunku ziemi (gdy chłodne powietrze w pobliżu ziemi jest uwięzione przez warstwę ciepłego powietrza powyżej, tj. inwersja).

Cel(e)

Uczniowie będą w stanie:

1. Zrozumieć związek między natężeniem dźwięku a głośnością.
2. Pomierzyć odczyty poziomu dźwięku w dB i dBA i przekształcić go na natężenie, jak również zrozumieć, jak te poziomy są postrzegane przez ludzi.
3. Bada jak dźwięk wpływa na środowisko naturalne oraz na ludzi.
4. Odróżnia dźwięk od hałasu.
5. Analizuje dane dotyczące dźwięku w celu pokazania wpływu jaki ma on na środowisko i ludzi odwiedzających.
6. Podaje zalecenia dotyczące dźwięków w danym miejscu używając danych dotyczących poziomu dźwięku i badań nad skutkami dźwięku.
7. Przewidywać wpływ wilgotności, temperatury i wiatru na dźwięki.

Materiały

1. Mierniki poziomu dźwięku, które odczytują w dB i dBA
2. Strona internetowa NPS Natural Sounds and Night Skies
3. Holt Physics, podręcznik autorstwa Serway i Faughn wydany w 2002 roku przez Holt, Rinehart, and Winston.
4. Korzystanie z Internetu do badań.
5. Dane przykładowe zebrane w Herbert Hoover NHS w 2012 roku

Procedura

Część 1:

Przegląd fal dźwiękowych, w szczególności:

• Dźwięk przemieszcza się przez materiał jako fala mechaniczna. Fala ta jest falą podłużną lub ściskającą.
• Dźwięk powstaje, gdy energia powoduje, że cząsteczki powietrza zbliżają się do siebie i oddalają od siebie. Im bliżej cząstki się lub dalej od siebie, tym większa jest amplituda dźwięku. Amplituda dźwięku powoduje głośność i intensywność dźwięku. Im większa jest amplituda, tym głośniejszy i bardziej intensywny jest dźwięk. Natężenie dźwięku jest mierzone w watach na metr kwadratowy.
• Inne właściwości fali dźwiękowej obejmują częstotliwość w hercach (ile fal na sekundę) i długość fali (dosłownie długość jednej fali, od kompresji do kompresji).
• Człowiek może słyszeć tylko dźwięki o częstotliwości od 20 do 20 000 herców. Zwierzęta mają inne zakresy i mogą słyszeć dźwięki, których my nie możemy.
• Głośność jest ludzką percepcją intensywności dźwięku. Jest często mierzona w dB, która jest skalą opartą na ludzkim progu słyszenia (który jest podany pomiar 0 dB w górę). Skala dBA naśladuje ludzki zakres słyszenia poprzez filtrowanie wysokich i niskich częstotliwości, których ludzie nie słyszą tak dobrze. Hałas to nieprzyjemne lub niepożądane dźwięki, a za zanieczyszczenie hałasem uważa się wszelkie dźwięki, które zakłócają działalność.

Część 2:

Uczniowie analizują dane dotyczące poziomu dźwięku. Użyj danych dostarczonych z tym planem jednostki lub innych danych dotyczących dźwięku (w tym miejsca, czasu i warunków nagrywania oraz typowych dźwięków, takich jak śpiew ptaków). Uczniowie mogą zabrać miernik dźwięku do różnych miejsc w szkole, aby zebrać dane. Uczniowie powinni zapisać czas i warunki, w jakich próbkowali dane. Znajdź przykłady nagrań dźwiękowych i spektrogramów na stronie NPS Natural Sounds and Night Skies.

Część 3:

Używając wiarygodnych książek, artykułów i stron internetowych, uczniowie badają, w jaki sposób dźwięki wpływają na ludzi i środowisko naturalne. Uczniowie badają zarówno pozytywne jak i negatywne skutki dźwięków o różnej głośności, natężeniu i czasie trwania. Uczniowie badają również metody, dzięki którym można zmniejszyć natężenie dźwięku.

Część 4:

Uczniowie udają się do miejsca, w którym będą badać skutki dźwięku, np. do pobliskiego parku. Uczniowie przynoszą mierniki poziomu dźwięku (najlepiej zdolne do pomiaru dBA), aby rejestrować natężenie dźwięku. Uczniowie słuchają i zapisują wszystkie dźwięki słyszane w ciągu 15 minut. Uczniowie słuchają i nagrywają przez 10 minut tylko dźwięki wewnętrzne (dźwięki typowe dla codziennego funkcjonowania parku), które mogą być naturalne i kulturowe (np. dźwięk młota kowalskiego w Herbert Hoover National Historic Site). Uczniowie słuchają i zapisują przez 10 minut dźwięki zewnętrzne (nie typowe dla danego miejsca), takie jak ruch uliczny w pobliżu. Zapisuj obserwacje dotyczące warunków pogodowych i charakterystyki miejsca podczas rejestrowania danych. Przedyskutujcie, które dźwięki przyczyniają się do realizacji celu parku, a które są uciążliwe lub nie sprzyjają przyjemności z przebywania w parku. Uczniowie mogą również określić, które zwierzęta są rodzime dla parku i ustalić, jak różne dźwięki mogą na nie wpływać.

Część 5:

Użyj danych i badań uczniów, aby ocenić, w jaki sposób poziomy i natężenia dźwięku mogą wpływać na miejsce, które odwiedzili. Porównaj dane z tymi, które zostały już zebrane przez innych. Zastanów się, w jaki sposób poziomy dźwięku mogą wpływać na naturalnych mieszkańców parku lub odwiedzających go ludzi. Dowiedz się więcej o wpływie na rodzime gatunki. Przedyskutujcie to ustnie i napiszcie konspekt lub pracę na temat prawdopodobnych skutków różnych dźwięków dla mieszkańców i odwiedzających, ludzi i zwierząt. Czy można poprawić wrażenia w parku poprzez wyeliminowanie lub ograniczenie niektórych dźwięków? Jeśli tak, które dźwięki i jak?

Połączenia parkowe

Dźwięki, które są naturalne dla parku są uważane za zasoby naturalne. Śpiew ptaków, szum potoku Hoover i odgłosy kowala przy pracy to dźwięki typowe dla Herbert Hoover National Historic Site. Dźwięki te, zarówno naturalne, jak i kulturowe, Herbert Hoover słyszał jako chłopiec w West Branch w stanie Iowa. Ich ochrona i zachowanie jest częścią misji Służby Parków Narodowych. Odwiedzający park mogą usłyszeć te dźwięki, jak również wdzierający się hałas z XXI wieku, taki jak ruch na autostradzie 80.

Studenci badający właściwości fal dźwiękowych, takie jak natężenie i głośność, muszą również zobaczyć, jaki wpływ mają dźwięki na nasze środowisko, a nawet jak możemy zmniejszyć wszelkie niepożądane efekty. Herbert Hoover National Historic Site i inne parki narodowe stanowią doskonałą okazję, aby posunąć się o krok dalej w wiedzy uczniów na temat właściwości dźwięku. Uczniowie mogą zmierzyć właściwości dźwięku, a następnie zobaczyć, jak wpływają one na środowisko i ludzi. Uczniowie mogą nawet wziąć czynny udział w zachowaniu i ochronie parków narodowych, proponując sposoby ograniczenia hałasu zewnętrznego. Ich zalecenia powinny wykazywać zrozumienie właściwości dźwięku, jak również charakteru parku.

Materiały

Tabela danych poziomu dźwięku pobranych w Herbert Hoover NHS latem 2012 roku. W formacie CSV, który można otworzyć w arkuszu kalkulacyjnym.

Download Sound Level Data at Herbert Hoover, 2012

.