Wissenschaft mit dem Smartphone: Dezibelmeter

Anmerkung der Redaktion: Wir haben uns bemüht, die Zugänglichkeit in unseren Bring Science Home-Aktivitäten beizubehalten, indem wir die erforderliche Technologie eingeschränkt haben. Wir sind uns bewusst, dass die Technologie heute weiter verbreitet ist als zu Beginn dieser Serie im Jahr 2011 und dass sie einen Mehrwert für die wissenschaftliche Erkundung darstellen kann. Dies ist unsere erste Aktivität, die die Verwendung eines Smartphones oder Tablets erfordert. Bitte lassen Sie uns wissen, was Sie davon halten! Senden Sie eine E-Mail an [email protected] mit Feedback über die Verwendung von Technologie in dieser – und zukünftigen – Bring Science Home-Aktivitäten.

Schlüsselkonzepte
Physik
Schall
Messung
Logarithmisch

Einführung
Wussten Sie, dass Sie ein Smartphone als wissenschaftliches Instrument verwenden können, um die Welt um Sie herum zu erkunden? Smartphones enthalten viele eingebaute elektronische Sensoren, die Phänomene wie Schall, Licht, Bewegung und mehr messen können! In dieser Aktivität werden Sie das Mikrofon eines Smartphones verwenden, um die Lautstärke verschiedener Geräusche in Ihrer Umgebung zu untersuchen. Wie leise ist eine Bibliothek? Wie laut ist der vorbeidonnernde LKW? Versuchen Sie es mit dieser Aktivität herauszufinden!

Hintergrund
Sie sind wahrscheinlich mit den Einheiten vertraut, die wir verwenden, um alltägliche Größen zu messen, wie z. B. Länge oder Temperatur. Sie würden nicht mit der Wimper zucken, wenn jemand sagt, dass er 1,80 m groß ist oder es draußen 70 Grad warm ist. Aber wie messen wir Schall? Sie könnten ein Geräusch als „leise wie ein Flüstern“ oder „lauter als ein Düsentriebwerk“ beschreiben, aber Sie würden wahrscheinlich keine Zahl verwenden. Schall wird mit einer Einheit gemessen, die Dezibel genannt wird, abgekürzt dB. Die Dezibel-Skala ist ein wenig ungewöhnlich, da sie logarithmisch und nicht linear ist. Was bedeutet das? Für jede Erhöhung um 10 dB verdoppelt sich die Lautstärke des Schalls. Zum Beispiel ist ein 30-dB-Ton doppelt so laut wie ein 20-dB-Ton. Ein 40-dB-Ton ist doppelt so laut wie ein 30-dB-Ton, und viermal so laut wie ein 20-dB-Ton usw. Null dB bedeutet nicht, dass es überhaupt keinen Schall gibt. Vielmehr wird 0 dB als Referenzpegel an der Schwelle des menschlichen Gehörs gewählt. Klingt verwirrend? Keine Sorge – hier ist eine Liste von Referenzgeräuschen und ihren ungefähren Dezibel-Pegeln:

0 dB: menschliche Hörschwelle
20 dB: raschelnde Blätter
40 dB: ruhige Bibliothek
60 dB: normale Unterhaltung
80 dB: schreiendes Baby
100 dB: Kettensäge
120 dB: Live-Rockkonzert
140 dB: Düsentriebwerk

Schallpegel über 80 dB können über längere Zeit Gehörschäden verursachen, Schallpegel über 120 dB können sofortige Schäden verursachen. Aus diesem Grund wird ein Gehörschutz für Personen empfohlen, die Geräte wie Rasenmäher benutzen. Beachten Sie, dass die Lautstärke eines Geräusches auch von Ihrem Abstand zur Schallquelle abhängt (es wird leiser, je weiter Sie sich entfernen) – um also einen direkten Vergleich verschiedener Geräusche durchzuführen, müssen Sie diesen Abstand konstant halten.

Was hat das alles mit einem Smartphone zu tun? Wenn man früher Schallpegel messen wollte, musste man sich ein eigenständiges Dezibel-Messgerät kaufen – ein Gerät mit Mikrofon und Bildschirm, das den Schallpegel in dB anzeigt. Moderne Smartphones (die bereits über eingebaute Mikrofone verfügen) können jedoch Apps ausführen, die den Schallpegel in dB direkt auf dem Bildschirm des Telefons anzeigen. Wenn Sie also die Geräusche der Welt um Sie herum erforschen wollen, brauchen Sie nur ein Telefon!

Materialien

• Smartphone oder Tablet mit Internetzugang und der Erlaubnis, eine App herunterzuladen und zu installieren
• Erwachsene (zur Überprüfung und zum Herunterladen der App)
• Andere Personen, deren Stimmen Sie messen können (optional)
• Mehrere Orte, an denen Sie das Telefon mitnehmen können (optional)

Vorbereitung

• Bitten Sie einen Erwachsenen, Ihnen bei der Suche nach einer „Dezibelmeter“- oder „Schallmess“-App auf einem Smartphone oder Tablet zu helfen. Es gibt viele kostenlose Optionen, aber einige Apps haben möglicherweise Werbung oder In-App-Käufe aktiviert.
• Lernen Sie Ihre Dezibelmesser-App kennen. Einige Apps zeigen nur eine Zahl auf dem Bildschirm an, während andere ein Messgerät oder ein Diagramm anzeigen. Bei einigen können Sie auch Daten aufzeichnen. Stellen Sie sicher, dass die App funktioniert: Sprechen Sie mit normaler Lautstärke, und Sie sollten die Zahlen schwanken sehen.

Vorgehensweise

• Bestimmen Sie den Pegel der Hintergrundgeräusche. Legen Sie das Telefon weg, sitzen Sie ganz still und halten Sie den Atem an. Wie hoch ist der Dezibel-Pegel? Schwankt er mit den Hintergrundgeräuschen, wie z.B. einem vorbeifahrenden Auto oder einem zwitschernden Vogel?
• Nun erforschen Sie Ihre eigene Stimme. Versuchen Sie zu flüstern, zu sprechen und sogar in das Telefon zu schreien. Sie können auch andere Geräusche wie Pfeifen oder Brummen ausprobieren. Wird das Flüstern überhaupt wahrgenommen oder wird es von den Hintergrundgeräuschen übertönt? Wie laut ist Ihr Schrei?
• Wenn andere Personen in der Nähe sind, versuchen Sie auch deren Stimmen zu messen. Ist die „normale“ Stimme von allen die gleiche Lautstärke? Wer kann am lautesten schreien?
• Nun testen Sie verschiedene Geräusche. Das kann so einfach sein wie Händeklatschen oder Klopfen an eine Tür. Es gibt auch viele andere Alltagsgeräusche, die Sie ausprobieren können, zum Beispiel das Laufenlassen eines Wasserhahns oder das Klicken eines Lichtschalters. Sie können auch versuchen, einige Geräte wie eine Mikrowelle oder einen Staubsauger laufen zu lassen. Wie sind die verschiedenen Geräusche im Vergleich? Welche sind am lautesten?
• Finden Sie heraus, wie der Abstand zur Schallquelle den Schallpegel beeinflusst. Versuchen Sie, ein relativ konstantes Geräusch zu finden, z. B. einen laufenden Wasserhahn oder das Summen einer Person. Beginnen Sie mit dem Telefon direkt neben der Schallquelle und gehen Sie dann langsam weg. Wie verändert sich der Dezibelpegel, wenn Sie sich weiter entfernen?
• Versuchen Sie, den Hintergrundgeräuschpegel an verschiedenen Orten zu messen. Nehmen Sie das Telefon in verschiedene Räume, eine Bibliothek oder auf einen Spielplatz oder in einen Park mit. Wo ist der ruhigste Ort, den Sie finden können? Der lauteste? Sind die Geräuschpegel irgendwo so laut, dass sie eine Gefahr für Ihr Gehör darstellen könnten?
• Extra: Sie können auch Apps herunterladen, um die Frequenz oder die Tonhöhe von Geräuschen zu messen. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen. Der Bereich des menschlichen Gehörs reicht von etwa 20 bis 20.000 Hz. Wenn wir älter werden, neigen wir dazu, unsere Fähigkeit zu verlieren, Töne am höheren Ende dieses Bereichs zu hören. Einige Tiere, wie z. B. Hunde, können bis zu 45.000 Hz hören. Was ist der Frequenzbereich Ihrer Stimme? Was ist mit all den anderen Tönen, die Sie zuvor gemessen haben?
• Extra: Messen Sie die Töne, die verschiedene Musikinstrumente erzeugen. Wenn Sie keine Instrumente zur Hand haben, können Sie auch selbst welche bauen (siehe Abschnitt „Mehr zum Erforschen“)!

Beobachtungen und Ergebnisse
Mit Alltagsgegenständen können Sie wahrscheinlich Töne im Bereich von etwa 20 bis 80 dB messen. Selbst in einem perfekt „ruhigen“ Raum könnten Hintergrundgeräusche, wie das Brummen eines Computers oder sogar Ihr eigenes Atmen, es schwierig machen, unter etwa 10 dB zu kommen. Wenn Sie sich an einem belebteren Ort mit vielen Menschen oder in der Nähe einer Straße mit viel Verkehr befinden, ist der Hintergrundgeräuschpegel wahrscheinlich viel höher. Laute Geräte wie ein Staubsauger oder Elektrowerkzeuge können 80 dB überschreiten. Menschliche Schreie können ziemlich laut sein, möglicherweise 100 dB überschreiten (ab März 2019 liegt der Weltrekord bei 129 dB!) – aber das wollen Sie wahrscheinlich vermeiden, denn so laute Schreie können Ihren Ohren schaden! Sie sollten auch festgestellt haben, dass der Schallpegel schnell abfällt, je weiter Sie sich von der Quelle entfernen. Menschen, die sich den ganzen Tag in der Nähe eines gleichbleibend lauten Geräusches aufhalten (z.B. jemand, der Rasen mäht oder beruflich in der Nähe von Düsentriebwerken arbeitet), sollten einen Gehörschutz tragen.

Mehr zum Thema
dB: What Is a Decibel?, von der University of New South Wales, School of Physics
Tune Up Your Rubber Band Guitar!, von Scientific American
Sound Science: Make Your Own Harmonica, von Scientific American
Make Sprinkles Dance, von Scientific American
STEM Activities for Kids, von Science Buddies

Diese Aktivität wurde Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies präsentiert