正月初五又稱“破五”，民間傳說這一天是財神的生日，人們在這一天燃放鞭炮迎接財神，以求財源滾滾。
爆竹：我裂開了
利用爆竹驅邪迎祥瑞的習俗在我國有著悠久的歷史：
春秋時期
春秋末年范蠡：“除夜燒盆爆竹與照田蠶看火色，同是夜取安靜為吉”。
漢代
西漢時東方朔在《神異經(jīng)》也記述有“爆竹驅山魈”的故事。
南北朝時期
南北朝梁宗懔編撰的《荊楚歲時記》中曾記載：“正月一日是三元之日也?！洞呵铩分^之端月。雞鳴而起，先于庭前爆竹，以辟山臊惡鬼?！?/p>
唐代
唐代劉禹錫有詩云：“照潭出老蛟，爆竹驚山鬼”。
這些記載說明，從春秋時期開始，我國便有了采用竹子燃燒時爆裂發(fā)出響聲的“爆竹”，人們利用爆竹來驅邪辭舊迎祥瑞。
早期的“爆竹”利用的是空氣受熱膨脹的原理。竹枝中空有節(jié)，竹節(jié)腔中的空氣在燃燒時受熱膨脹，使得竹節(jié)會突然爆裂而發(fā)出響聲，達到“爆”出聲響的效果。
火藥：我燃起來了
到了宋朝，由于火藥的發(fā)明，逐漸出現(xiàn)了以火藥為原料的爆竹。宋代《會稽志》卷十三中記載：“除夕爆竹相聞，亦或以硫黃作爆藥，聲尤震厲，謂之爆仗”，可知爆仗在宋朝被用于除夕燃放了。
南宋周密《武林舊事》卷三“歲除”條中記載：“至于爆仗，有為果子人物等類不一。而殿司所進屏風，外畫鐘馗捕鬼之類。而內藏藥線，一爇連百余不絕”?！?strong>一爇連百余不絕”，就是把單個的炮仗連接在一起，即后來的鞭炮。
鞭炮爆炸的基本原理是火藥的化學反應。用紙卷把火藥和氧化劑卷在中間，頂部插上引線，底部使用泥土或者其它粘結劑密封嚴實。我們在中學學習過火藥燃燒的化學方程式：
S+2KNO3+3C== K2S+3CO2↑+N2↑
當點燃引線，火藥被引燃后在密封的紙筒中劇烈燃燒并產生大量氣體，氣體猛烈膨脹，將紙筒從中部擠破，鞭炮就發(fā)出了爆炸聲。
煙花：OK，起飛
除了鞭炮，人們還制作出了煙花，元代趙孟頫有詩云：“紛紛燦爛如星隕，??喧豗似火攻”，煙花的發(fā)明更為節(jié)日增添了幾分色彩。
煙花結構分為兩部分，其一是推進部分，其二是效果件，即禮花彈。推進部分同樣利用火藥燃燒原理，只是發(fā)射藥由堅固的紙殼包裹，火藥燃燒產生的氣體無法脹裂紙殼，只能從端部預留的空隙噴出，從而將禮花彈推進到空中。而禮花彈中除了爆炸所用的火藥之外，還添加了許多化合物，比如鈉鹽、鋇鹽等，利用焰色反應產生多種多樣的顏色。
然而，由于燃放鞭炮帶來的安全和環(huán)境問題，許多地方推行禁鞭令。因此，人們陸續(xù)發(fā)明了許多鞭炮的替代品。
比如壓爆氣球......
再比如舞鞭，往期我們介紹過舞鞭發(fā)生的原理（傳送門戳這里）。在 2002 年的一篇 PRL 上，研究人員還專門對鞭子音爆的產生原因的分析，研究顯示鞭鞘的速度能達到 2 馬赫（2 倍音速）。據(jù)作者計算，尖端的速度能夠達到鞭子初始速度的 30 倍以上。
電子禮炮：聲光電的模仿秀
目前還有一種比較流行的鞭炮替代品是電子禮炮與電子鞭炮。我們首先來看看這個大家伙 —— 電子禮炮。
電子禮炮的原理是氣體爆炸產生禮炮聲。電子禮炮使用厚壁且無縫隙的鋼管來制作炮筒。
人們使用電路控制電磁閥，向炮管中按照比例充入氧氣與天然氣，通過點火裝置點燃混合氣體，使氣體爆炸發(fā)出禮炮聲。
講完大家伙，我們再來看看小家伙 —— 電子鞭炮。
所謂電子鞭炮，就是通過電路控制實現(xiàn)真實鞭炮爆炸時發(fā)出的光、聲、煙霧等現(xiàn)象。下面我們來仔細分析一下它的工作原理。
對電子鞭炮而言，最重要的就是模擬鞭炮爆炸的聲音?，F(xiàn)在一般有兩種實現(xiàn)方式。
第一種方法是利用喇叭進行模擬，其原理是利用電路播放提前錄制好的高質量鞭炮爆炸聲音。例如下圖所示電路中利用 ISD1820 單段語音錄放芯片記錄鞭炮爆炸聲。
第二種方法是通過電路實現(xiàn)高壓擊穿空氣來產生爆炸聲。
生活中常見的是 18650 鋰電池，能夠提供大約 3.7V 電壓。利用單管自激升壓電路作為高壓發(fā)生電路，能夠將 3.7V 電壓提升到十幾千伏的高壓為電容充電。電阻 R1、二極管 D1 構成基極分壓式偏置電路，使三極管 Q1 集電極線圈產生的信號反饋給基極線圈，產生自激振蕩，從而使次級線圈得到數(shù)倍的電壓。高壓擊穿空氣形成刺耳的聲音，從而模擬出鞭炮爆炸的聲音效果。
除了鞭炮爆炸聲音的模擬，電子鞭炮利用 LED 電路能夠實現(xiàn)爆炸火花的模擬。鞭炮的爆炸火花總是伴隨爆炸聲產生，而利用聲控閃光電路便可以模擬出伴隨爆炸聲出現(xiàn)的閃光。
聲控閃光電路中兩個三極管 Q2、Q3 組成兩級直接耦合放大電路。選取合適的 R3、R4，當外界無聲音變化三極管 Q2 處于臨界飽和狀態(tài)，從而導致三極管 Q3 處于截止狀態(tài)，這時三只 LED 中沒有電流通過而保持熄滅狀態(tài)。
當麥克風 MIC 接收到聲波信號時，音頻信號轉化為電流信號流入三極管 Q2 的基極，從而導致 Q2 退出飽和狀態(tài)，Q2 的集電極電壓上升。如此，三極管 Q3 便會導通，使得三只 LED 點亮發(fā)光。如果輸入音頻信號較弱，不足以使 Q2 退出飽和狀態(tài)，LED 仍保持熄滅狀態(tài)，只有較強信號輸入時，二極管才點亮發(fā)光，所以二極管能隨著環(huán)境聲音信號的強弱起伏而閃爍發(fā)光。
回顧炮竹的前世今生，從早期的“爆竹”到使用了火藥的炮仗，再到現(xiàn)在電子鞭炮、電子禮炮等替代品，不斷變化的是發(fā)聲方式，不變的是人們利用響聲來表達辭舊驅邪迎祥瑞的心愿。隨著科技的發(fā)展，炮竹作為實體在未來可能會不斷演變，但其作為人們追求美好未來的意志載體不會發(fā)生改變。
參考文獻：
[1] 王繼成，何志苠，蔡靜怡，朱健.新型環(huán)保電子鞭炮 [J].現(xiàn)代計算機，2020 (12):155-157.
[2] 王元蘭.電子氣體禮炮的設計與制作 [J].山東氣象，1999 (04):59-60.
[3] 胡露，張曄，簡武真，蔣星，徐麗麗，徐中輝.一種新穎的電子鞭炮設計 [J].科技廣場，2016 (09):173-176.
[4] 魏淑萍，王德苗，金浩.微波介質陶瓷諧振器磁控濺射金屬化 [J].材料科學與工程學報，2016,34 (05):689-693.
[5] 李福旭.便攜式智能霧化器的設計與實現(xiàn) [D].上海應用技術大學，2016.
[6] 周星，周超.民俗與法律: 煙花爆竹作為一個“中國問題”[J].湖北民族學院學報 (哲學社會科學版),2018,36 (04):48-58.
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：C&C
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