烟花在我国有着悠久的历史，古人曾用“东风夜放花千树，更吹落，星如雨”这样生动的诗句去描绘烟花绽放时的绚烂。
如今，人们也会燃放烟花来庆祝大型活动或重要节日，每一次烟花的绽放，都是视觉与情感的双重盛宴。
人们观赏烟花 （图片来源：Veer图库）
其实，这些绚烂的图案和千变万化的音效，都是提前设计并通过技术实现的！今天，就带大家一同了解烟花设计背后的科学知识。
我国最早在唐代就有了烟花！
烟花的历史可以追溯到公元9世纪的唐代，当时的烟花是用来驱除邪灵和祈求好运。到了宋代，烟花的使用逐渐转向节庆和娱乐，制作烟花的技术开始得到发展，烟花的形式不仅限于简单的爆竹，还开始出现形状多样、颜色丰富的焰火。在明清时期，烟花的制作技艺不断提升，逐渐成为皇室和贵族的庆典活动中的重要一环，也广泛应用于节日庆典，如春节、元宵节等。
随着烟花技术的不断发展，它逐渐传播到世界各地，成为全球节日庆典中的一大亮点。烟花从中国的传统庆典，走向了世界的舞台，成为历史文化与现代科技相融合的奇妙艺术。
波西米亚艺术家Wenceslaus Hollar的版画作品《赫米塞姆的烟花》
现代烟花是怎样绽放出各种形状的？
现代烟花绽放时能精确制造出各种美丽的形状，这些形状是通过精密计算和设计烟花中的装药和星体排布方式来产生的。星体是由各种金属盐、氧化剂、火药等组成的小颗粒，决定了烟花绽放时的形状和色彩。每颗星体的制作都需要精准的化学配比，才能确保它在爆炸时达到预期的效果。所以，星体不仅是烟花绚丽表演的源泉，也是烟花艺术的精华所在。当烟花升空后，火药爆炸产生的推力可以把星体推到事先设计的方向上，让星体向各个方向发散，从而在空中展现出如各种各样美丽的图案。
例如，通过精确排列火药包并设置延时引线，烟花可以在半空中爆炸并形成星形、花朵形等奇妙的图案，仿佛在夜空中绘制了一幅美丽的画卷。
烟花的三种布局方式 （图片来源：维基百科）
有些烟花采用火药作为驱动器，能够在空中旋转，如同飞舞的星辰，带来动感十足的视觉体验。烟花像流星般划过夜空，并在瞬间点亮整个夜空。烟花的形状设计和点燃时机就像是一位艺术家手中的画笔，勾画出一幅幅动人的夜空图景。
烟花的内部排布 （图片来源：维基百科）
各种绚烂的色彩又是怎么实现的？
烟花自古以来就因绚丽的色彩而被人们所喜爱，这些色彩并非是随机产生的，而是来源于叫做焰色反应的物理现象
每当夜空中绽放出绚丽的色彩时，那是金属原子在火焰中舞蹈的结果。具体来说，不同的金属元素在火焰中加热后，金属原子中的电子会吸收热量，像跳跃的小精灵一样跃升到更高的能级。当温度降低后，电子会从高能级跃迁到低能级并释放出能量，这些能量以不同波长光的形式表现出来。不同波长的光在我们的眼睛中对应着不同的颜色，烟花的色彩正是通过这种反应产生的。
常见金属的焰色反应 （图片来源：科学小屋）
为了产生不同颜色的烟花，烟花设计师会向烟花中加入不同的金属或金属盐，如添加钾盐产生紫色，添加钠盐产生黄色等。有些特殊的烟花还会控制火药的燃放顺序和金属盐的空间位置，从而呈现出随时间变换不同颜色或者渐变颜色的烟花。
与此同时，烟花设计师还需要调节火药的配方来控制温度和燃烧速率。温度越高，金属元素的激发越强烈，颜色越鲜明；药中的氧化剂和燃料成分，也会影响焰色的呈现。因此，烟花的色彩并非单纯的物理现象，而是物理和化学精密调配的艺术结晶。
烟花爆炸后美丽多彩的颜色 （图片来源：veer图库）
烟花爆炸时或高或低的音效也可以设计？
如今，烟花表演已经不仅仅局限于视觉效果，声音也成为了烟花艺术的重要组成部分。在大型节庆活动和烟花表演中，声音和视觉常常是同步的，创造出震撼的观感和听感体验。
烟花的声音主要是由火药的爆炸所产生的。火药在爆炸时会释放出大量的气体，这些气体在爆炸瞬间猛烈膨胀，产生了向外传播的压力波。就像一颗巨大的水珠跌入湖面，激起的波动迅速扩散至四面八方，我们听到的“轰隆”声，正是空气压力瞬间剧烈变化的结果。
现代烟花可以通过调整火药中金属盐和其他化学成分的比例，改变爆炸时产生的气体膨胀速度和压力，从而控制音高使用不同的金属盐（如铝、钡或锆）就像是在音符中加入不同的调性，可以影响燃烧反应的速率和气体膨胀的方式，调节爆炸声的频率，使之高亢激昂或低沉深远。
烟花的外壳设计在声音效果上也起着关键作用。现代烟花的外壳通常由纸壳、铝箔或金属箔等材料制成，不同的设计可以影响声音的传播和音质。比如硬壳（如钢壳）可以引发较为强烈的爆炸声音，像雷鸣般震耳欲聋，而软壳（如纸壳）则会使爆炸声音较为沉闷、较为低沉。
现代烟花不仅仅是简单的爆炸和绽放，而是蕴含着深刻的科学原理和精密的设计艺术。每一场烟花表演，都是化学、物理和艺术的完美结合。通过了解这些背后的科学原理，我们不仅能够更加欣赏烟花的美丽，也能感受到科学技术带来的无限可能。在未来的烟花表演中，必将有更为绚烂和惊艳的视听盛宴。
出品：科普中国
作者：李瑱（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）
监制：中国科普博览
