被朋友拉去听演唱会，可注意力全程被手里这个东西吸引

Original 花卷中科院物理所

2024-11-02

今年，各类演唱会在全国各地井喷式复出，大家拥有了许多现场聆听音乐、感受演唱会氛围的机会。

在大大小小的演出中，无论是学校里的节日晚会：

还是商业大型演唱会：

都少不了荧光棒的身影。

荧光棒作为观众为舞台应援、欢呼的载体，寄托了大家对演出者的热情。观众席亮起星星点点的荧光，也组成了演出的一部分，给大家带来强烈的视觉震撼，营造出了独特的氛围和互动效果。

我们在演出中使用的荧光棒，从最早的化学发光荧光棒：

荧光棒舞蹈 | 图源网络

到了如今可以实现“荧光海”的定制中控应援棒：

不同偶像组合的定制应援棒 | 图源网络

中控下的应援棒灯光变化 | 图源网络

它们分别是什么原理呢？为什么荧光棒一掰就能发光？如何同步控制全场的应援棒？跟着小编一起探索吧！

一、化学发光荧光棒

我们都知道荧光棒的使用手法——双手一掰，荧光飞来（skr~~

让我们来看看荧光棒的组成：实际上，荧光棒采用双层结构，外层为塑料（通常是聚乙烯PE）管，内层为玻璃管。玻璃管内装有过氧化氢溶液，而玻璃管与塑料管之间的夹层内则是荧光染料和酯类化合物（多为双草酸酯、邻苯二甲酸二丁酯等）。

荧光棒的内部组成 | 图源网络

在掰弯前，双层溶液互不干扰，各自安好。一旦掰弯，内层玻璃管破裂，内部的过氧化氢溶液与外部酯类化合物相遇，发生化学反应并释放能量；荧光染料接收到这部分能量，便会发出荧光。

整个过程的反应如下：

1/ 氧化

荧光棒中的过氧化氢将草酸二苯酯氧化，生成苯酚和不稳定的过氧酸酯。

2/ 分解

过氧酸酯稳定性较差，作为一个高能中间体分子，它很容易断键产生二氧化碳，并释放能量。

3/ 跃迁

荧光染料分子接受这部分能量，从基态激发到激发态，然后激发态电子返回基态，在这个过程中能以光子的形式释放出能量。

荧光棒发光反应式 | 图源网络

让我们再仔细深入一下第三步，看看染料分子是如何发出荧光的：吸收能量后，染料分子的能量增加，从基态（S₀）跃迁到激发态（S₁’），激发态能极高，并不是一个稳定状态，因此有机分子一般通过化学键旋转或者震动释放能量回到基态，但是染料分子在通过机械运动释放部分能量到达一个特定能级（S₁），即第一电子态后，直接跳到基态，同时将剩余的能量以光子的形式释放出来，发出荧光。“能级”是量子物理学中的一个基本概念，描述核外电子在不同能层（如K、L、M等）和能级（如s、p、d、f等）上的能量状态，这些状态对应着分立的能量值，即能级。

若是要深入理解荧光，那么就要请出“荧光光谱学之父"Alenksander Jablonski以及他制定的Jablonski图。Jablonski图通常用于说明分子光谱学中的荧光和磷光，它展示了分子的激发态以及他们之间可能发生的辐射和非辐射跃迁，如下图所示。若是深入讲解，恐怕又是另一篇推文了，所以留待感兴趣的小伙伴自行探索哦~

Jablonski图 | 图源网络

荧光棒为什么能发出不同颜色的光呢？因为不同色的荧光板含有不同种类的荧光染料，这些染料分子大多是具有共轭体系（原子间以单键和双键相互交替连接的系统）的多芳香环有机分子，共轭体系使电子跃迁所需的能量降低，波长向长波方向移动。而取代基也会使幅射光发生红移，落入可见光区域。染料分子的共轭链长短不同，受激发需要的能量也不同，从而发处不同颜色的光。

不同荧光染料的发光颜色

根据荧光棒内使用的化合物的不同，化学发光的持续时间也会发生变化。作为化学方法发光的荧光棒，其发光时间长短与化学反应的持续时间有关，而化学反应速率受到温度影响，环境温度越高，发光时间越短、荧光棒初始亮度越高，发光时间越短。

二、电致发光应援棒

现在的演唱会上大多使用的都是LED灯泡的应援棒。无论是这种演唱会批发的七彩海绵荧光棒：

还是定制的具有独特形状，甚至上百种色彩的周边应援棒：

其发光的来源，都是LED灯泡。那么LED的原理是什么呢？

LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的缩写，即半导体发光二极管。我们都知道，二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的P-N结。P型材料在半导体中掺入受主杂质，即价电子数更少的杂质原子，因为缺少价电子而产生空穴；N型材料在半导体中掺入施主杂质，即价电子数更多的杂志原子，则存在多余的电子。所以P型材料含大量带正电的空穴，而N型材料则含大量带负电的电子。

_{（a）N型半导体，（b）P型半导体}

若是电源正极接在N型半导体，负极连接在P型半导体，电压倾向于将电子由P型区拉向N型区、空穴由N型区拉向P型区，形成耗尽区，即P-N结出现反向偏置。反之，在正向偏置下，N型半导体中的自由电子朝着P型一侧移动，部分电子与空穴复合，复合时发射光子。

LED发光机理

在复合的过程中，释放出的能量正是导带底与价带顶之间的能量差，即禁带宽度E_g（单位：电子伏特eV）。不同的禁带宽度，释放不同的能量，即产生不同颜色的LED。LED产生光的波长与禁带宽度的关系如下式所示

而采用不同的半导体材料，获得不同的禁带宽度，就可以产生多种颜色的LED啦~

不同半导体材料的禁带宽度及对应LED的颜色

但仅凭不同的材料，仍然难以实现对颜色的精确控制，毕竟很多偶像明星的应援色都是具体到十六进制代码的。那如何来控制应援棒的具体颜色呢？这就需要在应援棒上安装多个不同颜色的LED灯珠，通过电路的开关控制来改变不同颜色的亮灭。荧光棒颜色控制的关键在于设计师对LED灯珠的数量、类型及电路的设计。

三、中控发光

如何让数万根荧光棒在同一时间，实现统一中控，一同点亮，一同熄灭，一同变换颜色，并组成多样的图案？

从应援棒的拆解图中，我们可以试着寻找答案

中控应援棒拆解图| 图源网络

排除掉其中的灯罩、握把、电池，我们把目光集中在其内部电路上

中控应援棒电路拆解图| 图源网络

从其醒目的外置天线和红外探头能够看出，它可以通过接收外部的控制信号指令，实现不同灯光效果的切换。

在电路上，可以看出其采用了两颗芯片，左边为电路的主控芯片，右边为UHF（超高频）射频接收信片。UHF射频接收芯片主要负责接收现场基站发出的信号，然后交给主控芯片进行处理；主控芯片则控制电路中RGB灯珠的切换。

所以，实现统一中控的关键就在于荧光棒中RF射频芯片的使用。射频（Radio Frequency）是一种高频交流变化的电磁波，因其每秒变化频率较高，具有远距离传输能力。无线通信电子设备以电磁波的形式通过天线以一定的频率发射到空中，或者从空中接收电磁波，达到传递信息和通信的目的。

广义来讲，国际上是把频率范围在3kHz到300GHz的频谱称为射频。在国内，荧光棒使用的频段主要是433MHz和2.4GHz两个频段，前者一般用于演唱会整体或是区域座位的控制，后者一般具体到演唱会某一座位的控制。

中控的原理流程 | 图源网络

总的来说，中控是RF射频芯片的功劳。RF射频芯片能接收演唱会现场中央控制台发出的信号，并使LED灯随着音乐和节奏变换颜色。这样就创造出了演唱会中富有活力的灯光变换！