Ljudintensitet och ljudstyrka

Genom denna aktivitet i flera delar lär sig eleverna om ljudvågars egenskaper, särskilt ljudintensitet och ljudstyrka. De lär sig hur man mäter intensitet och ljudstyrka, skillnaden mellan ljud och buller och när ett ljud betraktas som bullerförorening. Med hjälp av data som intensitetsmätningar och spektrogram och enkla tekniker som att lyssna på och identifiera ljud undersöker eleverna hur ljud påverkar människor och miljön. Klassläraren Lynette Cummings utvecklade aktiviteterna som en del av Teacher to Ranger to Teacher-programmet.

Intensitet & Ljudstyrka

Ljudets intensitet är ljudets styrka i watt dividerat med den yta som ljudet täcker i kvadratmeter. Ljudets ljudstyrka relaterar intensiteten hos ett visst ljud till intensiteten vid hörtröskeln. Den mäts i decibel (dB). Den mänskliga hörselns tröskel har en intensitet på cirka 0,00000000000000001 watt per kvadratmeter och motsvarar 0 decibel. Smärtgränsen för människor är 1 watt per kvadratmeter och motsvarar 120 dB. En viskning är mellan 20 och 30 dB, ett högljutt samtal är ca 50 dB, en dammsugare är ca 70 dB, en gräsklippare är ca 90 dB och ett bilhorn på 1 meters avstånd är ca 110 dB. Människor är särskilt känsliga för ljud vars frekvens ligger mellan 2000 och 5000 Hertz. DBA-skalan har ett filter så att ljudnivåmätaren är mindre känslig för låg- och högfrekventa ljud, precis som den mänskliga hörseln. Den är också bättre anpassad för att mäta hörselskador och talstörningar hos människor.

Buller

”Buller” är alla oönskade ljud eller främmande ljud (ljud utan funktion). Buller påverkar den naturliga miljön. Till exempel orsakar extra ljud ”auditiv maskering” som minskar ett djurs förmåga att upptäcka kommunikation och rovdjur. Vissa fåglar sjunger på en högre tonhöjd i bullrigare områden. Eftersom fågelhonor av vissa arter föredrar att hanar sjunger på ett lägre tonläge eftersom det visar att de är mogna, kan detta leda till minskade fågelpopulationer. Andra fåglar kanske bara sjunger högre i bullriga områden. Kinesiska grodor har till och med flyttat sina rop till det ultraljudliga området (över de frekvenser som människor kan höra) så att de kan lokalisera varandra under parningssäsongen. Fladdermöss som plockar insekter från bladen jagar inte i bullriga områden. Buller ”stressar” också vilda djur och gör dem mindre motståndskraftiga mot sjukdomar. Buller påverkar definitivt vattenmiljöer. Ljudet färdas mycket snabbare och längre under vattnet, vilket innebär att en bullerkälla kan få en mycket större påverkan än vad den skulle ha på land. Studier har också visat att lågfrekvent buller i haven, som till stor del beror på ökad kommersiell sjöfart, har ökat med så mycket som 10 dB sedan 1960-talet.

Ljud kan också påverka människor negativt. Höga eller långvariga ljud har visat sig orsaka hörselskador, högt blodtryck, sömnstörningar, irritation och ischemisk hjärtsjukdom (hjärtsjukdom kopplad till minskat blodflöde till hjärtat). Andra komplikationer är eventuella förändringar i immunsystemet och fosterskador. Vägbuller har visat sig dra ihop artärerna och höja blodtrycket. Det kan till och med leda till hjärtattacker. Bullernivåer på 50 dB på natten ökar produktionen av kortisol (ett stresshormon), vilket leder till att artärerna drar ihop sig och höjer blodtrycket.

Effekter av atmosfäriska förhållanden

Den atmosfäriska absorptionen av ljud varierar med miljöförhållandena, t.ex. relativ luftfuktighet, atmosfäriskt tryck, temperatur och vind. Lägre luftfuktighet absorberar mer ljud, särskilt vid högre frekvenser, på grund av ”molekylär avslappning” hos gaserna i luften (en nivå på 10 % luftfuktighet absorberar mest). En betydande förändring av det atmosfäriska trycket, motsvarande tusentals meters höjdökning, har en liten inverkan på ljudnivån för de flesta källor, men påverkar väsentligt de mottagna nivåerna av dessa ljud.

Mer viktigt är att vind och temperatur kan påverka hur ljudvågorna färdas på ett betydande sätt. Vind kan leda till att ljudet blir högre i vindriktningen, eftersom de molekyler genom vilka ljudvågorna fortplantar sig förflyttas i vindriktningen, i stället för att spridas lika mycket i alla tre dimensioner. Vertikala temperaturgradienter kan leda till att ljudet antingen bryts bort från marken (när varm luft nära marken ligger under kallare luft ovanför) eller mot marken (när kall luft nära marken fångas upp av ett lager varm luft ovanför, dvs. en inversion).

Mål

Studenterna ska kunna:

1. Förstå förhållandet mellan ljudintensitet och ljudstyrka.
2. Mäta ljudnivåavläsningar i dB och dBA och omvandla det till intensitet samt förstå hur dessa nivåer uppfattas av människor.
3. Förska om hur ljud påverkar såväl den naturliga miljön som människor.
4. Skillnaden mellan ljud och buller.
5. Analysera ljuddata för att visa vilka effekter ljudet har på miljön och mänskliga besökare.
6. Göra rekommendationer om ljud på en viss plats med hjälp av ljudnivådata och forskning om ljudets effekter.
7. Förutsäga effekten av fuktighet, temperatur och vind på ljud.

Material

1. Ljudnivåmätare som avläser i dB och dBA
2. NPS Natural Sounds and Night Skies webbplats
3. Holt Physics, lärobok av Serway och Faughn som publicerades 2002 av Holt, Rinehart och Winston.
4. Användning av internet för forskning.
5. Provuppgifter som samlades in vid Herbert Hoover NHS 2012

Förfarande

Del 1:

Genomgång av ljudvågor, särskilt:

• Ljudet rör sig genom ett material som en mekanisk våg. Vågen är en longitudinell, eller kompressionsvåg.
• Ljud uppstår när energi får luftpartiklar att röra sig närmare varandra och längre ifrån varandra. Ju närmare partiklarna kommer varandra eller ju längre ifrån varandra de kommer, desto större blir ljudets amplitud. Ljudets amplitud orsakar ljudets ljudstyrka och intensitet. Ju större amplituden är, desto högre och intensivare är ljudet. Ljudets intensitet mäts i watt per meter i kvadrat.
• Andra egenskaper hos ljudvågor är bland annat frekvensen i Hertz (hur många vågor per sekund) och våglängden (bokstavligen längden på en våg, från komprimering till komprimering).
• Människor kan bara höra ljud mellan 20 och 20 000 Hertz. Djur har andra intervall och kan höra ljud som vi inte kan höra.
• Ljudstyrka är människans uppfattning om ljudets intensitet. Den mäts ofta i dB som är en skala baserad på människans hörtröskel (som ges ett mått från 0 dB och uppåt). DBA-skalan efterliknar det mänskliga hörselområdet genom att filtrera de höga och låga frekvenser som människor inte hör lika bra. Buller är obehagliga eller oönskade ljud, och bullerföroreningar anses vara alla ljud som stör aktiviteter.

Del 2:

Studenterna analyserar uppgifter om ljudnivåer. Använd de data som tillhandahålls i denna enhetsplan eller andra ljuddata (inklusive var, när och under vilka förhållanden de registrerats och typiska ljud som fågelsång). Eleverna kan ta med sig en ljudmätare till olika områden runt skolan för att samla in data. Eleverna bör anteckna vid vilken tidpunkt och under vilka förhållanden de tog prover på data. Hitta exempel på ljudinspelningar och spektrogram på webbplatsen NPS Natural Sounds and Night Skies.

Del 3:

Med hjälp av tillförlitliga böcker, artiklar och webbplatser undersöker eleverna hur ljud påverkar människor och den naturliga miljön. De kan undersöka både positiva och negativa effekter av ljud med olika ljudstyrka, intensitet och varaktighet. Eleverna undersöker också metoder genom vilka ljudintensiteten kan minskas.

Del 4:

Elverna beger sig till den plats där de ska undersöka ljudets effekter, till exempel en närliggande park. Eleverna tar med sig ljudnivåmätare (helst som kan mäta dBA) för att registrera ljudintensiteten. Eleverna ska lyssna och registrera alla ljud som hörs under en 15-minutersperiod. Eleverna ska lyssna och registrera endast de naturliga ljuden under 10 minuter (de ljud som är typiska för parkens dagliga verksamhet), som kan vara naturliga och kulturella (t.ex. ljudet från en smeds hammare på Herbert Hoover National Historic Site). Eleverna lyssnar och spelar in extrinsiska ljud (som inte är typiska för platsen), t.ex. närliggande trafik, i 10 minuter. Anteckna observationer om väderförhållanden och platsens egenskaper medan de registrerar data. Diskutera vilka ljud som bidrar till parkens syfte och vilka som är störande eller inte överensstämmer med besökarnas njutning av parken. Eleverna kanske också vill fastställa vilka djur som är inhemska i parken och avgöra hur de olika ljuden kan påverka dem.

Del 5:

Använd elevernas data och forskning för att bedöma hur ljudnivåerna och -intensiteterna kan påverka den plats de besökte. Jämför uppgifterna med de uppgifter som redan samlats in av andra. Överväg hur ljudnivåerna kan påverka de naturliga invånarna i parken eller mänskliga besökare. Undersök mer om påverkan på de inhemska arterna. Diskutera effekterna muntligt och skriv en översikt eller en uppsats om de sannolika effekterna av olika ljud på invånarna och besökarna, människor och djur. Skulle parkupplevelsen kunna förbättras genom att vissa ljud elimineras eller minskas? Om så är fallet, vilka ljud och hur?

Parkförbindelser

Ljud som är naturliga för en park betraktas som naturresurser. Fågelkvitter, Hoover Creek’s bubblande och ljudet av en smed i arbete är ljud som är typiska för Herbert Hoover National Historic Site. Dessa ljud, både naturliga och kulturella, var ljud som Herbert Hoover hörde som pojke i West Branch, Iowa. Att skydda och bevara dem är en del av National Park Service uppdrag. Besökare i parken kan höra dessa ljud, men också det inträngande ljudet från 2000-talet, som trafiken på Interstate 80.

Studenter som studerar ljudvågsegenskaper som intensitet och ljudstyrka måste också se vilka effekter ljud har på vår miljö och även hur vi kan minska eventuella oönskade effekter. Herbert Hoover National Historic Site och andra nationalparker utgör ett perfekt tillfälle att ta elevernas klassrumskunskaper om ljudegenskaper ett steg längre. Eleverna kan mäta ljudegenskaper och sedan se hur de påverkar miljön och människor. Eleverna kan till och med ta en aktiv roll i bevarandet och skyddet av nationalparkerna genom att rekommendera sätt att minska extrinskt buller. Deras rekommendationer bör visa en förståelse för ljudegenskaper samt för parkens karaktär.

Material

Tabell över ljudnivådata som togs vid Herbert Hoover NHS sommaren 2012. I CSV-format, som kan öppnas av ett kalkylprogram.

Download Sound Level Data at Herbert Hoover, 2012