煙花的哨聲和絢麗的顏色是怎麼產生的？_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2020-01-27 11:08

2020-01-27

在小編還很小的時候，每次過年都喜歡跑到陽台上去看焰火。“嘭”的一聲之後，遠處的天空就綻開一朵明亮而五彩的煙花，絢爛而美麗。

各種各樣的煙花 @Wikipedia

所以，當時年幼無知的小編不由得心生疑問…為什麼地面上的一個小箱子，點火引燃之後產生的煙花是那個樣子的呢？煙花究竟是怎麼設計，怎麼製作，才能呈現那般璀璨的效果呢？

圖片來源於網絡

煙花的品種明目繁多，而一般電視節目中看到的煙花，也就是"嘭"的一聲飛到天上再炸開的那種，是煙花中的特殊的一類，叫做禮花。

煙花@Wikipedia

禮花綻放大體上可以分成兩個階段。第一個階段是禮花彈的升空：“嘭"的一聲，一個地面上的什麼東西飛上了天空。第二個階段大概是禮花彈的爆裂，嘩啦啦，天空中炸出了一朵煙花。這兩個階段分別發生了什麼呢？

某一種禮花的內部構造大概是這個樣子的 [1]。

禮花構造@pyrouniverse.com

把禮花彈打上天空

當我們點燃導火索（快速引線）之後，引線給小夥伴們撤離的時間，延遲了爆炸。等到引線燃燒到了發射藥的時候，點燃發射藥。發射藥一般就是中國古代煉丹師傅發現的黑火藥，禮花點燃之後“嘭”的一聲就是這個玩意兒爆炸發出的聲音。黑火藥的主要成分是硫磺、木炭、硝酸鉀，爆炸的反應公式比較複雜，一個典型的化學反應方程式大概長這樣（熟悉的一硫二硝三碳）：

這個爆炸反應產生大量熱量和高温氣體，類似於火箭發射的原理，高温氣體產生巨大的推力把殼體推上了高空。在飛向高空的過程中，往往會聽到哨子聲般的,呲溜的聲音，這是煙花的一種聲音效應。它來源於一種特殊的熱-聲耦合的燃燒——脈動燃燒。

脈動燃燒

脈動燃燒是一種特殊的不穩定燃燒過程，燃燒區的温度、壓力、氣流速度等參數都會隨時間週期性波動。在工業化應用脈動燃燒的過程中，會有大量的噪音從燃燒器的尾管中輻射出來 [2]。這種技術涉及了非常多的熱-聲耦合的非線性過程，大振幅聲波效應等，非常複雜，所以目前並沒有形成相關的理論 [3]。

但是沒有相關的理論並不代表我們沒在或者沒辦法利用它。

從事煙花生產的人已經知道，為了讓煙花產生這種口哨般的聲音，需要使用一類特殊的燃燒物——笛音劑。把氧化劑（高氯酸鉀、氯酸鉀）和笛音劑（主要是苯的衍生物）混合裝進紙筒或塑料筒，點燃後就會發生脈動燃燒，產生清脆的笛音 [4]。

@參考資料[4]

這種脈動燃燒引起了空氣的每秒上千次的激烈震盪，釋放出高頻聲波。所以，裝載着笛音劑和氧化劑的燃燒腔在充當推進器的同時，也同時發出了尖鋭的口哨般的biu～的聲音。

除了升空的煙花，還有一種有名的，有聲音的煙花。小編的家鄉這邊喜歡叫他竄天猴，就是這個玩意兒：

@bilibili-av8389766

這種玩意兒使用的推進劑的配料是高氯酸鉀和鄰苯二甲酸氫鉀。而這個鄰苯二甲酸氫鉀，從上面的表格中就可以看出，它也是一種笛音劑（雖然燃燒發出的聲音頻率不穩定，但是依然產生了100dB的聲壓）。

嘩啦啦地綻開一朵煙花

發射藥被引爆之後，延時引線被點燃並開始計時。等到殼體飛到高空需要引燃的時候，延時引線也差不多燒乾淨了。於是開爆藥被引爆，把星體炸的滿天都是。禮花炸開所呈現的圖形取決於星體在殼體中的位置，如果藥讓禮花炸出特定的形狀，就需要精妙地設計星體在禮花中的排列 [5]。

這個星體是啥玩意兒咧？它是整個禮花中最關鍵也是最具玄機的部分啦～

它的主要成分是鎂粉、高氯酸鉀和金屬鹽或金屬粉末 [6]。

星體成分@回形針PaperClip——《如何製作爆款煙花》

星體被點燃之後，作為還原劑的鎂粉和作為氧化劑的高氯酸鉀劇烈燃燒，發出大量的光和熱（是並不產生氣體），成為了禮花中閃亮的東西。

可是煙花的種種顏色是怎麼來的呢？這就涉及到一個和物理、化學都有關係的重要現象——焰色反應。

焰色反應

金屬單質或它們的化合物在極高温度的環境下會蒸發成為單獨的粒子，只有單獨的粒子才能呈現焰色反應。（大塊的固體樣品並不會有焰色反應，因為塊狀材料的發光主要和材料中的電子運動有關，大塊固體樣品中存在各種不同運動狀態的電子，所以塊狀材料發出的光的光譜很寬，並不會呈現出相對單一的顏色 [7]）。而在火焰中游離的金屬單質或金屬離子在高温下會被激發到有更高能量的激發態。

但是處於較高能量下的激發態原子並不穩定，它總會朝着具有最低能量最穩定的基態躍遷。在這個過程中，原子發出的光子能量（hν）恰好等於激發態（能量為E2）和基態（能量為E1）的能量差。