正月初五又稱“破五”，民間傳說(shuō)這一天是財(cái)神的生日，人們?cè)谶@一天燃放鞭炮迎接財(cái)神，以求財(cái)源滾滾。
爆竹：我裂開了
利用爆竹驅(qū)邪迎祥瑞的習(xí)俗在我國(guó)有著悠久的歷史：
春秋時(shí)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(shí)東方朔在《神異經(jīng)》也記述有“爆竹驅(qū)山魈”的故事。
南北朝時(shí)期
南北朝梁宗懔編撰的《荊楚歲時(shí)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(shī)云：“照潭出老蛟，爆竹驚山鬼”。
這些記載說(shuō)明，從春秋時(shí)期開始，我國(guó)便有了采用竹子燃燒時(shí)爆裂發(fā)出響聲的“爆竹”，人們利用爆竹來(lái)驅(qū)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(shí)受熱膨脹，使得竹節(jié)會(huì)突然爆裂而發(fā)出響聲，達(dá)到“爆”出聲響的效果。
火藥：我燃起來(lái)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(huì)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(jìn)屏風(fēng)，外畫鐘馗捕鬼之類。而內(nèi)藏藥線，一爇連百余不絕”。“一爇連百余不絕”，就是把單個(gè)的炮仗連接在一起，即后來(lái)的鞭炮。
鞭炮爆炸的基本原理是火藥的化學(xué)反應(yīng)。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(jié)劑密封嚴(yán)實(shí)。我們?cè)谥袑W(xué)學(xué)習(xí)過(guò)火藥燃燒的化學(xué)方程式：
S+2KNO3+3C== K2S+3CO2↑+N2↑
當(dāng)點(diǎn)燃引線，火藥被引燃后在密封的紙筒中劇烈燃燒并產(chǎn)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(shī)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(jié)構(gòu)分為兩部分，其一是推進(jìn)部分，其二是效果件，即禮花彈。推進(jìn)部分同樣利用火藥燃燒原理，只是發(fā)射藥由堅(jiān)固的紙殼包裹，火藥燃燒產(chǎn)生的氣體無(wú)法脹裂紙殼，只能從端部預(yù)留的空隙噴出，從而將禮花彈推進(jìn)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(yīng)產(chǎn)生多種多樣的顏色。
然而，由于燃放鞭炮帶來(lái)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(guò)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(duì)鞭子音爆的產(chǎn)生原因的分析，研究顯示鞭鞘的速度能達(dá)到 2 馬赫（2 倍音速）。據(jù)作者計(jì)算，尖端的速度能夠達(dá)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(lái)看看這個(gè)大家伙 —— 電子禮炮。
電子禮炮的原理是氣體爆炸產(chǎn)生禮炮聲。電子禮炮使用厚壁且無(wú)縫隙的鋼管來(lái)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(guò)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃混合氣體，使氣體爆炸發(fā)出禮炮聲。
講完大家伙，我們?cè)賮?lái)看看小家伙 —— 電子鞭炮。
所謂電子鞭炮，就是通過(guò)電路控制實(shí)現(xiàn)真實(shí)鞭炮爆炸時(shí)發(fā)出的光、聲、煙霧等現(xiàn)象。下面我們來(lái)仔細(xì)分析一下它的工作原理。
對(duì)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(shí)現(xiàn)方式。
第一種方法是利用喇叭進(jìn)行模擬，其原理是利用電路播放提前錄制好的高質(zhì)量鞭炮爆炸聲音。例如下圖所示電路中利用 ISD1820 單段語(yǔ)音錄放芯片記錄鞭炮爆炸聲。
第二種方法是通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)高壓擊穿空氣來(lái)產(chǎn)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(gòu)成基極分壓式偏置電路，使三極管 Q1 集電極線圈產(chǎn)生的信號(hào)反饋給基極線圈，產(chǎn)生自激振蕩，從而使次級(jí)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?qū)崿F(xiàn)爆炸火花的模擬。鞭炮的爆炸火花總是伴隨爆炸聲產(chǎn)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(gè)三極管 Q2、Q3 組成兩級(jí)直接耦合放大電路。選取合適的 R3、R4，當(dāng)外界無(wú)聲音變化三極管 Q2 處于臨界飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致三極管 Q3 處于截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)三只 LED 中沒有電流通過(guò)而保持熄滅狀態(tài)。
當(dāng)麥克風(fēng) MIC 接收到聲波信號(hào)時(shí)，音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)流入三極管 Q2 的基極，從而導(dǎo)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(huì)導(dǎo)通，使得三只 LED 點(diǎn)亮發(fā)光。如果輸入音頻信號(hào)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(qiáng)信號(hào)輸入時(shí)，二極管才點(diǎn)亮發(fā)光，所以二極管能隨著環(huán)境聲音信號(hào)的強(qiáng)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(lái)表達(dá)辭舊驅(qū)邪迎祥瑞的心愿。隨著科技的發(fā)展，炮竹作為實(shí)體在未來(lái)可能會(huì)不斷演變，但其作為人們追求美好未來(lái)的意志載體不會(huì)發(fā)生改變。
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本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：C&C
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