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爆竹声声迎祥瑞,你知道炮竹的前世今生吗

2023/1/20 12:20:10 来源:中科院物理所 作者:C&C 责编:梦泽

正月初五又称“破五”,民间传说这一天是财神的生日,人们在这一天燃放鞭炮迎接财神,以求财源滚滚。

鞭炮声声迎财神

爆竹:我裂开了

利用爆竹驱邪迎祥瑞的习俗在我国有着悠久的历史:

春秋时期

春秋末年范蠡:“除夜烧盆爆竹与照田蚕看火色,同是夜取安静为吉”。

汉代

西汉时东方朔在《神异经》也记述有“爆竹驱山魈”的故事。

南北朝时期

南北朝梁宗懔编撰的《荆楚岁时记》中曾记载:“正月一日是三元之日也。《春秋》谓之端月。鸡鸣而起,先于庭前爆竹,以辟山臊恶鬼。”

唐代

唐代刘禹锡有诗云:“照潭出老蛟,爆竹惊山鬼”。

这些记载说明,从春秋时期开始,我国便有了采用竹子燃烧时爆裂发出响声的“爆竹”,人们利用爆竹来驱邪辞旧迎祥瑞。

庭院爆竹图

早期的“爆竹”利用的是空气受热膨胀的原理。竹枝中空有节,竹节腔中的空气在燃烧时受热膨胀,使得竹节会突然爆裂而发出响声,达到“”出声响的效果。

火药:我燃起来了

小儿放纸炮图

到了宋朝,由于火药的发明,逐渐出现了以火药为原料的爆竹。宋代《会稽志》卷十三中记载:“除夕爆竹相闻,亦或以硫黄作爆药,声尤震厉,谓之爆仗”,可知爆仗在宋朝被用于除夕燃放了。

南宋周密《武林旧事》卷三“岁除”条中记载:“至于爆仗,有为果子人物等类不一。而殿司所进屏风,外画钟馗捕鬼之类。而内藏药线,一爇连百余不绝”。“一爇连百余不绝”,就是把单个的炮仗连接在一起,即后来的鞭炮

炮仗结构图

鞭炮爆炸的基本原理是火药的化学反应。用纸卷把火药氧化剂卷在中间,顶部插上引线,底部使用泥土或者其它粘结剂密封严实。我们在中学学习过火药燃烧的化学方程式:

S+2KNO3+3C== K2S+3CO2↑+N2↑

当点燃引线,火药被引燃后在密封的纸筒中剧烈燃烧产生大量气体,气体猛烈膨胀,将纸筒从中部挤破,鞭炮就发出了爆炸声。

烟花:OK,起飞

五颜六色的烟花

除了鞭炮,人们还制作出了烟花,元代赵孟頫有诗云:“纷纷灿烂如星陨,㸌㸌喧豗似火攻”,烟花的发明更为节日增添了几分色彩。

烟花结构图

烟花结构分为两部分,其一是推进部分,其二是效果件,即礼花弹。推进部分同样利用火药燃烧原理,只是发射药由坚固的纸壳包裹,火药燃烧产生的气体无法胀裂纸壳,只能从端部预留的空隙喷出,从而将礼花弹推进到空中。而礼花弹中除了爆炸所用的火药之外,还添加了许多化合物,比如钠盐、钡盐等,利用焰色反应产生多种多样的颜色。

焰色反应

然而,由于燃放鞭炮带来的安全环境问题,许多地方推行禁鞭令。因此,人们陆续发明了许多鞭炮的替代品。

比如压爆气球......

车碾气球模拟鞭炮

再比如舞鞭,往期我们介绍过舞鞭发生的原理(传送门戳这里)。在 2002 年的一篇 PRL 上,研究人员还专门对鞭子音爆的产生原因的分析,研究显示鞭鞘的速度能达到 2 马赫(2 倍音速)。据作者计算,尖端的速度能够达到鞭子初始速度的 30 倍以上。

鞭鞘产生冲击波 来源:Smarter Every Day

抽打鞭子代替鞭炮

电子礼炮:声光电的模仿秀

目前还有一种比较流行的鞭炮替代品是电子礼炮电子鞭炮。我们首先来看看这个大家伙 —— 电子礼炮。

电子礼炮实物图

电子礼炮的原理是气体爆炸产生礼炮声。电子礼炮使用厚壁且无缝隙的钢管来制作炮筒。

电子礼炮结构图

人们使用电路控制电磁阀,向炮管中按照比例充入氧气与天然气,通过点火装置点燃混合气体,使气体爆炸发出礼炮声。

电子礼炮原理图

讲完大家伙,我们再来看看小家伙 —— 电子鞭炮。

电子鞭炮实物图

所谓电子鞭炮,就是通过电路控制实现真实鞭炮爆炸时发出的烟雾等现象。下面我们来仔细分析一下它的工作原理。

对电子鞭炮而言,最重要的就是模拟鞭炮爆炸的声音。现在一般有两种实现方式。

第一种方法是利用喇叭进行模拟,其原理是利用电路播放提前录制好的高质量鞭炮爆炸声音。例如下图所示电路中利用 ISD1820 单段语音录放芯片记录鞭炮爆炸声。

电子鞭炮音频产生电路原理图

第二种方法是通过电路实现高压击穿空气来产生爆炸声。

单管自激升压电路图

生活中常见的是 18650 锂电池,能够提供大约 3.7V 电压。利用单管自激升压电路作为高压发生电路,能够将 3.7V 电压提升到十几千伏的高压为电容充电。电阻 R1、二极管 D1 构成基极分压式偏置电路,使三极管 Q1 集电极线圈产生的信号反馈给基极线圈,产生自激振荡,从而使次级线圈得到数倍的电压。高压击穿空气形成刺耳的声音,从而模拟出鞭炮爆炸的声音效果。

除了鞭炮爆炸声音的模拟,电子鞭炮利用 LED 电路能够实现爆炸火花的模拟。鞭炮的爆炸火花总是伴随爆炸声产生,而利用声控闪光电路便可以模拟出伴随爆炸声出现的闪光。

声控闪光电路

声控闪光电路中两个三极管 Q2、Q3 组成两级直接耦合放大电路。选取合适的 R3、R4,当外界无声音变化三极管 Q2 处于临界饱和状态,从而导致三极管 Q3 处于截止状态,这时三只 LED 中没有电流通过而保持熄灭状态。

当麦克风 MIC 接收到声波信号时,音频信号转化为电流信号流入三极管 Q2 的基极,从而导致 Q2 退出饱和状态,Q2 的集电极电压上升。如此,三极管 Q3 便会导通,使得三只 LED 点亮发光。如果输入音频信号较弱,不足以使 Q2 退出饱和状态,LED 仍保持熄灭状态,只有较强信号输入时,二极管才点亮发光,所以二极管能随着环境声音信号的强弱起伏而闪烁发光

回顾炮竹的前世今生,从早期的“爆竹”到使用了火药的炮仗,再到现在电子鞭炮、电子礼炮等替代品,不断变化的是发声方式,不变的是人们利用响声来表达辞旧驱邪迎祥瑞的心愿。随着科技的发展,炮竹作为实体在未来可能会不断演变,但其作为人们追求美好未来的意志载体不会发生改变

参考文献:

  • [1] 王继成,何志苠,蔡静怡,朱健.新型环保电子鞭炮 [J].现代计算机,2020 (12):155-157.

  • [2] 王元兰.电子气体礼炮的设计与制作 [J].山东气象,1999 (04):59-60.

  • [3] 胡露,张晔,简武真,蒋星,徐丽丽,徐中辉.一种新颖的电子鞭炮设计 [J].科技广场,2016 (09):173-176.

  • [4] 魏淑萍,王德苗,金浩.微波介质陶瓷谐振器磁控溅射金属化 [J].材料科学与工程学报,2016,34 (05):689-693.

  • [5] 李福旭.便携式智能雾化器的设计与实现 [D].上海应用技术大学,2016.

  • [6] 周星,周超.民俗与法律: 烟花爆竹作为一个“中国问题”[J].湖北民族学院学报 (哲学社会科学版),2018,36 (04):48-58.

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:C&C

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关键词:鞭炮爆竹

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