Автомобильная электроника: от радио до мультимедиа

Введение

Развлекательная электроника в автомобилях

Автомобильное аудио – это оборудование, устанавливаемое в автомобиле или другом транспортном средстве для обеспечения развлечений и информации пассажиров. До 1950-х годов оно состояло из простого AM-радиоприемника. После этого были добавлены FM-радио (1952 год), магнитофоны на кассетах формата 8-track, кассетные плееры, проигрыватели виниловых пластинок, CD-плееры, DVD-плееры, Blu-ray плееры, навигационные системы, интеграция с Bluetooth для телефонов и потоковая передача аудио, а также контроллеры для смартфонов, такие как CarPlay и Android Auto. Изначально управление осуществлялось с помощью нескольких кнопок на приборной панели, теперь же возможно управление с помощью элементов управления на рулевом колесе и голосовых команд. Первоначально предназначенное для прослушивания музыки и радио, автомобильное аудио теперь является частью автомобильной телематики, телекоммуникаций, систем безопасности автомобиля, связи hands-free, навигации и удаленной диагностики. Те же динамики могут также использоваться для снижения шума дороги и двигателя с помощью системы активного шумоподавления, или для усиления звука двигателя, например, чтобы небольшой двигатель звучал мощнее.

Радио

В 1904 году, до появления коммерчески жизнеспособных технологий для мобильного радио, американский изобретатель и называвший себя "Отцом радио" Ли де Форест продемонстрировал автомобильное радио на Всемирной выставке Louisiana Purchase Exposition 1904 года в Сент-Луисе. Около 1920 года технология вакуумных ламп достигла зрелости, и доступность радиоприемников сделала радиовещание возможным. Технической проблемой было то, что вакуумные лампы в радиоприемниках требовали постоянного тока от 50 до 250 вольт, в то время как автомобильные аккумуляторы работали от 6 В. Напряжение повышалось с помощью вибратора, который обеспечивал пульсирующий постоянный ток, который можно было преобразовать в более высокое напряжение с помощью трансформатора, выпрямить и отфильтровать для получения постоянного тока более высокого напряжения. В 1924 году компания Kelly's Motors в штате Новый Южный Уэльс, Австралия, установила свое первое автомобильное радио. В 1930 году американская Galvin Manufacturing Corporation начала продавать радиоприемник марки Motorola за 130 долларов. Это было дорого: современный Ford Model A стоил 540 долларов. В 1931 году в журнале Ladies' Home Journal был размещен рекламный ролик о седане Plymouth, "в котором предусмотрена проводка для радио Philco Transitone без дополнительной платы". В 1932 году в Германии радио Blaupunkt AS 5 для средних и длинных волн продавалось за 465 рейхсмарок, что составляло примерно треть цены небольшого автомобиля. Из-за своих габаритов, почти 10 литров, его нельзя было разместить рядом с водителем, и оно управлялось с помощью дистанционного пульта на рулевом колесе. В 1933 году компания Crossley Motors предложила заводское автомобильное радио за 35 фунтов стерлингов. К концу 1930-х годов радиоприемники AM с кнопочным управлением считались стандартной комплектацией. В 1946 году в эксплуатации находилось около 9 миллионов автомобильных радиоприемников AM. В 1952 году компания Blaupunkt предложила FM-приемник. В 1953 году компания Becker представила AM/FM Becker Mexico с тюнером Variometer, по сути, функцией поиска или сканирования станций. В апреле 1955 года корпорация Chrysler объявила о предложении автомобильного радио Mopar модели 914HR с полностью транзисторной схемой под брендом Philco в качестве опции за 150 долларов для своих автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года выпуска. Корпорация Chrysler решила прекратить выпуск опции полностью транзисторного автомобильного радио в конце 1956 года из-за ее высокой стоимости и заменила ее более дешевым гибридным радиоприемником (транзисторы и вакуумные лампы низкого напряжения) для своих новых моделей 1957 года. В 1963 году компания Becker представила Monte Carlo, полностью твердотельное радио без вакуумных ламп. Разработанное совместно Институтом радиотехники и Blaupunkt, оно указывало на наличие сообщений о дорожной обстановке путем манипулирования 57-кГц поднесущей FM-сигнала станции. ARI была заменена системой RDS (Radio Data System). Радио AM/FM в сочетании с CD-плеером оставалось основой автомобильного аудио, несмотря на свою устарелость в неавтомобильных приложениях. В 2010-х годах интернет-радио, спутниковое радио, потоковое вещание и подкасты стали конкурентами AM/FM-радио. К этому времени некоторые модели предлагали 5.1-канальный объемный звук. В 2023 году несколько автопроизводителей, включая Ford Motor Company, объявили о планах прекратить предлагать AM-диапазон в новых автомобилях, начиная с модельного года 2024. Позже Ford отменил свое объявление, генеральный директор Джим Фарли сослался на важность системы экстренного оповещения AM. Audi, BMW, Volvo и Tesla уже начали исключать AM-диапазон из своих информационно-развлекательных систем, особенно в своих электромобилях. Предыдущее объявление побудило нескольких законодателей представить двухпартийный законопроект, требующий от автопроизводителей включать AM-диапазон в свои аудио/информационно-развлекательные системы.

In 1904, before commercially viable technology for mobile radio was in place, American inventor and self described "Father of Radio" Lee de Forest demonstrated a car radio at the 1904 Louisiana Purchase Exposition in St. Louis. Around 1920, vacuum tube technology had matured to the point where the availability of radio receivers made radio broadcasting viable. A technical challenge was that the vacuum tubes in the radio receivers required 50 to 250 volt direct current, but car batteries ran at 6V. Voltage was stepped up with a vibrator that provided a pulsating DC which could be converted to a higher voltage with a transformer, rectified, and filtered to create higher voltage DC. In 1924, Kelly's Motors in NSW, Australia, installed its first car radio. In 1930, the American Galvin Manufacturing Corporation marketed a Motorola branded radio receiver for $130. It was expensive: the contemporary Ford Model A cost $540. A Plymouth sedan, "wired for Philco Transitone radio without extra cost," was advertised in Ladies' Home Journal in 1931. In 1932 in Germany the Blaupunkt AS 5 medium wave and longwave radio was marketed for 465 Reichsmark, about one third of the price of a small car. Because it took nearly 10 litres of space, it could not be located near the driver and was operated via a steering wheel remote control. In 1933, Crossley Motors offered a factory fitted car radio for £35. By the late 1930s, push button AM radios were considered a standard feature. In 1946, there were an estimated 9 million AM car radios in use. An FM receiver was offered by Blaupunkt in 1952. In 1953, Becker introduced the AM/FM Becker Mexico with a Variometer tuner, basically a station search or scan function. In April 1955, the Chrysler Corporation announced that it was offering a Mopar model 914HR branded Philco all transistor car radio, as a $150 option for its 1956 Chrysler and Imperial car models. Chrysler Corporation had decided to discontinue its all transistor car radio option at the end of 1956, due to it being too expensive, and replaced it with a cheaper hybrid (transistors and low voltage vacuum tubes) car radio for its new 1957 car models. In 1963, Becker introduced the Monte Carlo, a tubeless solid state radio with no vacuum tubes. Developed jointly by the Institut für Rundfunktechnik and Blaupunkt, it indicated the presence of traffic announcements through manipulation of the 57kHz subcarrier of the station's FM signal. ARI was replaced by the Radio Data System. The AM/FM radio combined with a CD player has remained a mainstay of car audio, despite being obsolescent in non car applications. In the 2010s, internet radio, satellite radio, streaming, and podcasting came into competition with AM/FM radio. By this time some models were offering 5.1 surround sound. In 2023, several automobile manufacturers, including Ford Motor Company, announced plans to discontinue offering the AM radio band in new vehicles, starting with the 2024 model year. Ford later reversed its announcement, with chief executive offer Jim Farley citing the importance of AM's emergency alert system. Audi, BMW, Volvo, and Tesla had already started to not offer the AM band on their entertainment systems, specifically on their electric vehicles. The previous announcement had several lawmakers introduce bipartisan legislation to require that automobile manufactures include the AM band on their audio/entertainment systems.

Физические носители и подключение

Для виниловых пластинок, 8-трековых магнитных лент, кассет, компакт-дисков и MP3-плееров были разработаны мобильные устройства для воспроизведения физических носителей. Повышенная сложность автомобильных аудиосистем, предназначенных для работы с такими носителями, сделала аудиоустройство частой целью угона автомобилей, поэтому они также оснащаются противоугонными системами. Первые попытки обеспечить воспроизведение музыки с физических носителей в автомобиле были предприняты с виниловыми пластинками, начиная с 1950-х годов. Первый такой проигрыватель был предложен компанией Chrysler в качестве опции для автомобилей Chrysler, Desoto, Dodge и Plymouth 1956 года выпуска. Проигрыватель был разработан CBS Labs и воспроизводил ограниченный выбор специально подготовленных 7-дюймовых дисков со скоростью 16⅔ оборотов в минуту. Эта опция была дорогостоящей и была снята с производства через два года. Более дешевые варианты, использующие широко доступные 45-оборотистые пластинки, были разработаны компаниями RCA Victor (доступны только в 1961 году) и Norelco. Всем этим проигрывателям требовалось дополнительное давление на иглу, чтобы избежать проскакивания во время движения автомобиля, что приводило к ускоренному износу пластинок. В 1962 году Muntz представил проигрыватель картриджных 4-трековых магнитных лент Wayfarer. Знаменитости, включая Фрэнка Синатру, устанавливали эти устройства в свои автомобили. В 1965 году компании Ford и Motorola совместно представили 8-трековый магнитофон для автомобилей в качестве опционального оборудования для моделей Ford 1966 года. В 1968 году компания Philips представила автомобильное радио с встроенным кассетным проигрывателем. В последующие годы кассеты вытеснили 8-трековые магнитофоны и улучшили технологию, обеспечив более длительное время воспроизведения, лучшее качество записи, автоматическое переключение сторон и шумоподавление Dolby. Они были популярны на протяжении 1970-х и 1980-х годов. Кассетные проигрыватели все еще можно было встретить в автомобилях вплоть до Honda CR-V 2005–2006 годов выпуска и Acura TL 2008 года. Также существовали автомобильные аудиосистемы, принимающие как компакт-кассеты, так и компакт-диски. В 1984 году компания Pioneer представила CDX-1, первый автомобильный CD-плеер. Он отличался улучшенным качеством звука, мгновенным переходом к следующему треку и повышенной долговечностью формата по сравнению с кассетными лентами. Автомобильные CD-чейнджеры начали набирать популярность в конце 1980-х годов и продолжали использоваться в течение 1990-х годов, при этом более ранние модели устанавливались в багажник, а более поздние – в головное устройство, некоторые из которых могли вмещать от шести до десяти компакт-дисков. Штатные и aftermarket CD-плееры начали появляться в конце 1980-х годов, конкурируя с кассетами. Первым автомобилем с заводским CD-плеером был Lincoln Town Car 1987 года, а последними новыми автомобилями на американском рынке, оснащенными кассетным магнитофоном в приборной панели, были Lexus SC430 2010 года и Ford Crown Victoria. Автомобильный кассетный адаптер позволял водителям подключать портативный музыкальный плеер (CD-плеер, MP3-плеер) к существующему кассетному магнитофону. В начале 21 века компактные цифровые носители информации – устройства с поддержкой Bluetooth, USB-накопители, карты памяти и выделенные жесткие диски – стали поддерживаться автомобильными аудиосистемами. Примерно в это же время были добавлены вспомогательные аудиовходы и порты USB для подключения MP3-плееров к динамикам автомобиля. Минивэны и внедорожники с тремя рядами сидений оснащаются задней развлекательной системой с DVD-плеером для развлечения пассажиров. Автомобильный головной блок становился все более важным в качестве корпуса для фронтальных и задних видеорегистраторов, навигационных систем и операционных систем с множеством функций, таких как Android Auto, CarPlay и MirrorLink, позволяющих управлять музыкальной библиотекой смартфона и навигационными приложениями через информационно-развлекательную систему автомобиля. Новейшие модели оснащаются такими функциями, как технология Bluetooth и порт HDMI для лучшей связи. Размер экрана варьируется от 5 до 7 дюймов для автомобильных стереосистем с двойным DIN.

Mobile players for physical media have been provided for vinyl records, 8 track tapes, cassette tapes, compact discs, and MP3s. The increased sophistication of the vehicle audio system to accommodate such media has made the audio unit a common target of car break ins, so these are equipped with anti theft systems too. Attempts at providing mobile play from media were first made with vinyl records, beginning in the 1950s. The first such player was offered by Chrysler as an option on 1956 Chrysler, Desoto, Dodge, and Plymouth cars. The player was developed by CBS Labs and played a limited selection of specially provided 7 inch discs at 16⅔ RPM. The unit was an expensive option and was dropped after two years. Cheaper options using commonly available 45 rpm records were made by RCA Victor (available only in 1961) and Norelco. All of these players required extra pressure on the needle to avoid skipping during vehicle movement, which caused accelerated wear on the records. In 1962, Muntz introduced the Wayfarer 4 track cartridge tape player. Celebrities, including Frank Sinatra, had these units installed in their cars. In 1965, Ford and Motorola jointly introduced the in car 8 track tape player as optional equipment for 1966 Ford car models. In 1968, a dashboard car radio with a built in cassette tape player was introduced by Philips. In subsequent years, cassettes supplanted the 8 track and improved the technology, with longer play times, better tape quality, auto reverse, and Dolby noise reduction. They were popular throughout the 1970s and 1980s. Cassette players were still found in vehicles as late as the 2005–06 Honda CR V and 2008 Acura TL. There have also been vehicle audio units that accept both compact cassettes and CDs. Pioneer introduced the CDX 1, the first car CD (compact disc) player, in 1984. It was known for its improved sound quality, instant track skipping, and the format's increased durability over cassette tapes. Car CD changers started to gain popularity in the late 1980s and continued throughout the 1990s, with the earlier devices being trunk mounted and later ones being mounted in the head unit, some able to accommodate six to ten CDs. Stock and aftermarket CD players began appearing in the late 1980s, competing with the cassette. The first car with an OEM CD player was the 1987 Lincoln Town Car, and the last new cars in the American market to be factory equipped with a cassette deck in the dashboard was the 2010 Lexus SC430, and the Ford Crown Victoria. A car cassette adapter allowed motorists to plug in a portable music player (CD player, MP3 player) into an existing installed cassette tape deck. In the early 21st century, compact digital storage media – Bluetooth enabled devices, thumb drives, memory cards, and dedicated hard drives – came to be accommodated by vehicle audio systems. Around this time auxiliary input jacks and USB ports were added to connect MP3 players to the vehicle's speakers. Minivans and three row SUVs have an available rear entertainment system with a DVD player to entertain passengers. The automobile head unit became increasingly important as a housing for front and backup dashcams, navis, and operating systems with multiple functions, such as Android Auto, CarPlay and MirrorLink, allowing a smartphone's music library and navigation apps to be controlled via the vehicle's infotainment system. Latest models are coming equipped with features like Bluetooth technology along with HDMI port for better connectivity. Screen size varies from 5 inch to 7 inch for the double Din car stereos.

Активный контроль шума и синтез шума

Автомобильная аудиосистема может быть частью системы активного шумоподавления, которая снижает шум двигателя и дороги для водителя и пассажиров. Один или несколько микрофонов используются для улавливания звука из различных точек автомобиля, особенно из моторного отсека, нижней части кузова или выхлопных труб, и эти сигналы обрабатываются цифровым сигнальным процессором (DSP), а затем передаются на динамики таким образом, чтобы обработанный сигнал уменьшал или нейтрализовал внешний шум, слышимый в салоне. Ранняя система, ориентированная исключительно на шум двигателя, была разработана компанией Lotus и лицензирована для моделей Nissan Bluebird 1992 года, продаваемых в Японии. Позже, в 2009 году, Lotus объединилась с Harman для разработки более совершенной системы шумоподавления, включающей шум дороги и шин, а также вибрации шасси. Одним из преимуществ активного шумоподавления является возможность снижения веса автомобиля за счет уменьшения количества звукоизоляционных материалов и отказа от тяжелого балансировочного вала в двигателе. Удаление балансировочного вала также повышает топливную экономичность. Система активного шумоподавления использовалась в Honda Accord 2013 года, а также в моделях премиум-класса Lincoln 2013 года и Ford C-Max и Fusion. В работе DSP могут также использоваться другие данные, такие как частота вращения коленчатого вала двигателя (RPM) или скорость автомобиля. Система подавления шума из нескольких источников может достигать 80% снижения уровня шума. Та же система может использоваться для синтеза или усиления звука двигателя, чтобы создать для водителя ощущение большей мощности. Для Ford Mustang EcoBoost Fastback и EcoBoost Fastback Premium 2015 года была разработана система "Активное шумоподавление", которая усиливает звук двигателя через автомобильные динамики. Аналогичная система применяется в пикапе F-150. Volkswagen использует Soundaktor – специальный динамик для воспроизведения звуков в автомобилях, таких как Golf GTi и Beetle Turbo. BMW воспроизводит записанные звуки своих двигателей через автомобильные динамики, используя различные записи в зависимости от нагрузки и мощности двигателя.

Компоненты и термины

Система штатного оборудования – это OEM-приложение, которое производитель автомобиля предусмотрел для установки при сборке автомобиля. Также могут использоваться компоненты вторичного рынка. Головное устройство: продукты для головных устройств включают в себя экран и кнопки и производятся в основном в формате DIN, соответствующем стандарту ISO 7736. Головные устройства бывают одинарные или двойные DIN. Разъемы для автомобильного аудио, где используется адаптер ISO 10487. Конденсаторы. Автомобильные усилители мощности. Усилители повышают уровень мощности аудиосигналов. Некоторые головные устройства имеют встроенные стереоусилители. Другие автомобильные аудиосистемы используют отдельный автономный усилитель. Каждый усилитель имеет номинальную мощность, которая может быть указана на головном устройстве со встроенным усилителем или на этикетке автономного устройства. Коаксиальные динамики: это наиболее распространенный тип автомобильных динамиков, который часто устанавливается на заводе. Обычно они состоят из низкочастотного динамика и высокочастотного динамика, установленных на одной оси, и предназначены для воспроизведения широкого диапазона частот. Компонентные динамики: эти динамики предназначены для автомобильных аудиосистем высокого класса и обычно состоят из отдельных низкочастотных динамиков, высокочастотных динамиков и кроссоверов. Это позволяет более точно настроить звук и добиться более высокого качества звучания. Сабвуферы: эти динамики предназначены для воспроизведения низких частот, особенно баса. Они бывают разных размеров и мощности и могут использоваться для усиления баса в автомобильной аудиосистеме. Динамики среднего диапазона: эти динамики предназначены для воспроизведения среднечастотных звуков, таких как вокал и инструменты, такие как гитары и фортепиано. Высокочастотные динамики: эти динамики предназначены для воспроизведения высоких частот, таких как тарелки и другие инструменты с высоким звуком. Шумоизоляционный материал часто используется в дверных полостях и багажнике для снижения избыточной вибрации панелей автомобиля в ответ на громкие басовые тоны сабвуфера, особенно багажника. Оптические приводы с механизмом загрузки типа "слот".

Законность

Слишком громкие звуковые системы в автомобилях нарушают местные нормы по уровню шума, которые действуют в муниципалитетах, некоторые из которых и вовсе их запретили. В 2002 году Министерство юстиции США опубликовало руководство для сотрудников полиции о том, как решать проблемы, связанные с громкими аудиосистемами в машинах.