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。
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。
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“爆”出声响的效果。
火药：我燃起来了
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。
鞭炮爆炸的基本原理是火药的化学反应。用纸卷把火药和氧化剂卷在中间，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并产生大量气体，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
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。
然而，由于燃放鞭炮带来的安全和环境问题，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......
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。
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与电子鞭炮。我们首先来看看这个大家伙 —— 电子礼炮。
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。
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。
讲完大家伙，我们再来看看小家伙 —— 电子鞭炮。
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光、声、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。
第二种方法是通过电路实现高压击穿空气来产生爆炸声。
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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