Inhalt:
Lautstärke, Schallpegel, dB, Pegelmessgerät, Entfernung und Lautstärke.
Materialien und Medien:
M 26: Aufbau und Funktion eines Schallpegelmessers
OH-Folie und/oder Vervielfältigungen von Abb. 3: „Angabe der Schall-leistung und des Schallpegels bei unterschiedlichen Alltags-geräuschen“, S. 23
M 1: Audio-Datei Nr. 3: „Abhängigkeit des subjektiven Hörempfindens vom Pegel“, S. 65 und CD-Player
M 7 Interaktives Bildschirmexperiment „Schallpegelmessung“, S. 81, und Computer
M 27: Übungen zu Schallpegelmessungen (Schallpegelmesser, OH-Folie und/oder Vervielfältigungen der Abb. 3: „Angabe der Schall-leistung, des Schalldrucks und des Schallpegels bei unterschied-lichen Alltagsgeräuschen“, S. 23)
M 1: Audio-Datei Nr. 4: „Wahrnehmbarkeit von Pegelsprüngen“, S. 66 und CD-Player, ggf. Schallpegelmesser resp. Oszilloskop und Mikrofon
Versuch 23: Entfernung (Niederfrequenzverstärker, Miniaturlautsprecher, Schallpegelmessgerät)
Zeitrahmen:
Ca. 1 – 2 Unterrichtsstunden.
Vorschlag für die Unterrichtsgestaltung:
Messung der Lautstärke
Die Lehrkraft erzählt zum Einstieg folgende Geschichte:
Peter hört gern laute Musik. Er findet das schön. Er hat zum Wechseln der CD den CD-Player ausgeschaltet und den Kopfhörer abgelegt. Danach dreht er die Lautstärke an seinem Discman wieder auf. Als seine Schwester Nina ins Zimmer kommt, möchte sie auch einmal die Musik hören. Geschockt gibt sie den Kopf-hörer an Peter zurück und sagt: „Bei dieser Lautstärke machst du dir ja die Ohren kaputt.“ Peter dagegen entgegnet ihr: „Sieh mal, ich habe den Lautstärkeregler erst auf 3/4 stehen“.
Wenn Zeit ist, lässt sich eine ähnliche Geschichte auch als Rollenspiel von zwei Schülerinnen oder Schülern aufführen.
Im Unterrichtsgespräch soll deutlich werden, dass Menschen Schall unterschied-lich laut empfinden. Mit den Begriffen „laut“, „sehr laut“, „leise“ usw. kann man Schall nur ungefähr kennzeichnen. Um herauszubekommen, wie laut Schall wirklich ist, muss man die Lautstärke messen, dafür benötigt man ein Gerät und eine Maßeinheit.
Die Lehrkraft projiziert die Folie von M 26 und erläutert anhand des Blockschalt-bildes den Aufbau und die Funktion eines Schallpegelmessers.
Die wichtigsten Teile eines Schallpegelmessers sind ein Mikrofon, ein Verstärker, ein sogenannter A-Filter (für die gehörrichtige Frequenzbewertung), eine Zeitbe-wertung (Anzeigemitteilung: langsam/schnell) und ein Anzeigeinstrument zum Ablesen der Werte.
Bei Messungen mit diesem Gerät tritt die Größe dB (Dezibel) auf. Hierzu bedarf es einiger Erläuterungen, s. 2.1: „Schall“, S. 19. Zum besseren Verständnis der Größe „dB“ projiziert die Lehrkraft eine OH-Folie der Abb. 3: „Angabe der Schall-intensität und des Schallpegels bei unterschiedlichen Alltagsgeräuschen“, S. 23.
Der Zusammenhang zwischen Schallintensität und der Größe „dB“ ist für die Schülerinnen und Schüler schwer zu verstehen und benötigt die Veranschau-lichung mittels Beispielen seitens der Lehrkräfte:
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Dezibelangaben der Geräte auf „Gehörrich-tigkeit“ eingestellt sind und deshalb hinter das Zeichen für Dezibel dB in Klam-mern der Buchstabe A gesetzt wird, also: dB (A), und dass, sofern nicht etwas anderes beabsichtigt wird, die Zeitbewertung auf schnell (fast) geschaltet wird.
Wenn man von einem Lautsprecher Musik hört und anschließend einen zweiten Lautsprecher zuschaltet, so empfindet man die Lautstärke mit zwei Lautspre-chern keinesfalls als doppelt so laut. Das wäre erst bei 10 LautspreLautspre-chern der Fall (Audio-Datei Nr. 3 der CD: „Abhängigkeit des subjektiven Hörempfindens vom Pegel“, S. 65). Eine Vervierfachung der Lautstärke erhält man erst durch das Auf-stellen von 100 Lautsprechern. Mit einem Schallpegelmesser oder einem Oszillo-skop und angeschlossenem Mikrofon kann dies quantitativ demonstriert werden.
Die Messung wird im Interaktiven Bildschirmexperiment M 7: „Schallpegelmes-sung“, S. 81, gezeigt.
Zusätzlich kann folgende Erklärung gegeben werden: Mit den Begriffen „laut“
und „leise“ wird die subjektiv empfundene Lautstärke eines Schalleindrucks beschrieben. Objektiv feststellbar ist mit physikalischen Messgeräten der wech-selnde Luftdruck. Als Maß für die vom Schall ausgelösten Reize hat man die Dezi-belskala geschaffen. Dabei wird die Schallstärke, die die Schallwelle erzeugt, mit der verglichen, die gerade noch wahrgenommen werden kann (Hörschwelle).
Markante Werte sind der Tabelle zu entnehmen:
BA USTEINE
B 9
Tab. 16: Markante Schallpegel, Schwellen- und Grenzwerte.
0 dB (A) Hörschwelle des menschlichen Ohres,
60 dB (A) Stressreaktionen im Schlaf (häufig ohne Aufweckreaktion!), 90 dB (A) Auftreten von Hörschäden bei längerer Einwirkung, 130 dB (A) Schmerzgrenze des menschlichen Ohres und
150 dB (A) führt zu irreparablen Schäden vom Innenohr in ca. 1 Sekunde.
BA USTEINE B 9
In einem weiteren Experiment sollen die Schülerinnen und Schüler Schallpegel messen. Vorher sollen dafür Beispiele von Lärm ausgewählt werden,
die im Schulalltag untersucht werden können (z.B. Pausenklingel, Pausen-lärm, Schallpegel während des Unterrichts, in der Turnhalle oder bei der Essenausgabe).
Weitere Möglichkeiten sind Messungen während des Schulwegs, Straßen-lärm und Schallpegel innerhalb der öffentlichen Verkehrsmittel.
Die Lautstärke in der Wohnung, der eindringende Straßenlärm, evt. bei geöffnetem Fenster in Zimmern, in denen geschlafen wird, sowie die der Haushaltsgeräte können ebenso gemessen werden wie die
MP3- und CD-Player, Kino-Innenräume oder Discos, beliebte Geräte resp.
Orte zur Unterhaltung.
Die Schülerinnen und Schüler schätzen zunächst die Dezibelwerte für die von ihnen ausgewählten Lärmbeispiele und überprüfen sie anschließend durch die Messungen.
Da die Gruppen jeweils ein Messgerät benötigen und i.d.R. nicht genügend Gerä-te vorhanden sind, ist ein Arbeitsablauf zu verabreden, bei dem zum einen die jeweiligen Messzeitpunkte festgehalten werden und zum anderen für die Unter-richtszeiten vereinbart wird, was diejenigen tun, die gerade nicht im Besitz eines Schallpegelmessers sind.
Die Schülerinnen und Schüler bestimmen die Schallpegel der von ihnen gewähl-ten Beispiele mit dem Schallpegelmesser und tragen ihre Ergebnisse in das Tabel-lenraster von M 27: „Übungen zu Schallpegelmessungen“ ein. Die gemessenen Werte werden mit den vorher geschätzten Werten verglichen.
Es hat sich gezeigt, dass es für Schülerinnen und Schüler interessanter ist, wenn sie selbst gewählte Beispiele untersuchen können. Große Abweichungen traten bei einigen Schülergruppen zwischen den geschätzten und den gemessenen Werten auf. Viele Schülerinnen und Schüler kamen dadurch zu der Erkenntnis, dass die Gefährlichkeit des „Alltagslärms“ häufig unterschätzt wird.
Zum besseren Verständnis der ermittelten Werte wird die Abb. 3: „Angabe der Schallintensität und des Schallpegels bei unterschiedlichen Alltagsgeräuschen“, S. 23, herangezogen und wird die Audio-Datei Nr. 4 der CD: „Wahrnehmbarkeit von Pegelsprüngen“, S. 66, vorgespielt resp. mit Schallpegelmesser oder Oszilloskop und Mikrofon demonstriert. Sie können mit den Angaben der Grafik verglichen werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, die gemessenen Werte bezüglich ihrer gesundheitlichen Folgen einzuschätzen.
Die wesentlichen Ergebnisse werden in einer Tafelnotiz festgehalten:
Die Lautstärke gibt an, wie stark oder wie laut man verschiedene Arten von Schall empfindet. Sie hängt mit dem Schallpegel zusammen, der mit dem Schall-pegelmesser in dB (A) gemessen wird (Verdoppelung der Schallintensität ergibt eine Schallpegelzunahme von 3 dB; doppelt so laut wahrgenommene Lautstär-ke ergibt eine Schallpegelzunahme von 10 dB und damit eine Verzehnfachung der Schallintensität).
Entfernung und Lautstärke
Natürlich ist die wahrgenommene Lautstärke abhängig von der Entfernung der Geräuschquelle; die quadratische Beziehung (umgekehrte Proportionalität) von Reizstärke und Entfernung der Reizquelle wird im Physikunterricht meist an der Beleuchtungsstärke vermittelt, kann jedoch auch bei der Lautstärke gezeigt und experimentell gemessen werden, Versuch 23: „Entfernung“.
Die Schülerinnen und Schüler skizzieren, dass mit der Verdoppelung der Entfer-nung Breite und Höhe der „Schallwellenfront“ sich verdoppeln, also die „Schall-front“ viermal größer und damit die Schallleistung viermal (22) kleiner ist:
Zusammenfassend wird formuliert:
Die Lautstärke hängt ab von der Schallquelle und von deren Abstand zum Ohr:
Je weiter entfernt die Schallquelle ist, desto geringer ist die empfundene Laut-stärke.
Dies gilt nur für punktförmige Schallquellen, bei denen sich die Schallwellen kugelförmig um die Quelle ausbreiten. Da die Kugeloberfläche mit dem Quadrat des Radius anwächst, nimmt der Schallpegel bei Entfernungsverdoppelung um 6 dB ab.
Bei linienförmigen Schallquellen, wie z.B. bei stark befahrenen Straßen und Autobahnen, kommen ja von allen Punkten Fahrgeräusche, die sich addieren.
Um die linienförmige Schallquelle breitet sich der Schall zylinderförmig aus. Die Zylinderoberfläche wächst proportional mit dem Radius. Deshalb nimmt dort der Schalldruck mit der Entfernung nur langsamer ab: bei doppelter Entfernung um 3 dB.
BA USTEINE
B 9
Ein Miniaturlautsprecher dient als Schallquelle. Zur Vermeidung störender Reflexionen ist er auf einem Stativ möglichst weit entfernt von Tischplatte, Wand und Boden zu be-festigen. Der Schallpegel niederfrequenten Rauschens wird dann in unterschiedlicher Ent-fernung von der Schallquelle gemessen. Rauschen als Signalquelle vermeidet die Bildung stehender Wellen und niederfrequent klingt für die Schülerinnen und Schüler angenehm.