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失真 distortion
不希望有的波形变化。
注:失真可能由下列原因产生:
a)输入输出之间的非线性关系。
b)不同频率下的不均匀传输。
c)相移与频率不成正比。
[GB/T 2900.86-2009，定义801-21-48]
失真（Distortion）作为电声系统的核心质量指标，定义为信号传输过程中出现的非预期波形畸变现象。根据国际标准GB/T 2900.86，其成因可归结为三大机制：输入输出的非线性映射关系、频响特性的非均匀传输特性，以及相位偏移与频率的非线性关联。在音频工程领域，这种波形畸变直接影响着声音重放的保真度，专业音响设备的失真系数通常需控制在0.1%以下才能满足高保真要求。
非线性失真源于电子元件的非线性I-V特性曲线，当信号幅值超过器件线性工作区时，将产生基频整数倍的谐波成分。扬声器系统尤为显著，其音圈-磁路系统的非线性振动会产生2f、3f等高次谐波，导致总谐波失真（THD）指标恶化。专业测量显示，普通扬声器THD普遍在3%-7%之间，而高端功放可达到0.001%的超低失真水平。这种失真的频谱特征可通过傅里叶变换精确量化，其数学表达式为：
\[ THD = \frac{\sqrt{\sum_{n=2}^{\infty}V_n^2}}{V_1} \times 100\% \]
其中V1为基波电压有效值，Vn为n次谐波分量。
在复杂音频系统中，谐波失真常与互调失真（IMD）共同作用形成复合失真。当125Hz与1kHz双音信号同时输入时，非线性电路会产生f2±f1的和差频率成分，这类互调产物比单一谐波更具听觉刺激性。专业测量采用SMPTE标准规定的60Hz+7kHz测试信号，通过频谱分析仪捕捉边带分量，确保设备在全频段满足IMD≤0.5%的行业基准。
瞬态失真表现为方波信号上升沿的波形畸变，其本质是放大器转换速率（Slew Rate）不足导致的时域失真。专业功放要求转换速率≥20V/μs才能准确重现打击乐器的瞬态细节。工程实践中采用三级补偿方案：①JFET差分输入级拓展线性区；②40dB深度负反馈抑制开环失真；③前馈误差校正技术消除残留谐波。
相位失真源于滤波器网络的非恒定群延迟特性，20Hz-20kHz范围内超过±15°的相位偏移将导致声像定位模糊。最新测量技术采用128阶FIR滤波器实现线性相位响应，结合心理声学模型中的临界频带理论，将相位失真敏感频段（2kHz-5kHz）的群延迟波动控制在0.1ms以内。
国际电工委员会（IEC）制定的THD-N指标要求：前级放大器≤0.5%，功率放大器≤0.7%，激光唱机≤0.01%。在扬声器领域，通过对称磁路设计可将二次谐波失真降低40%，音圈骨架采用钛铝合金材料可抑制三次谐波生成。美国联邦贸易委员会（FTC）强制规定功放测试需在8Ω负载、20Hz-20kHz全频带条件下进行，确保THD≤1%时的最大输出功率标注真实性。
人耳对失真的感知具有非线性特征，偶次谐波失真（2f、4f）在3%以内可增强声音温暖感，而奇次谐波失真（3f、5f）超过0.5%即产生刺耳感。专业监听系统采用哈曼曲线进行听觉补偿，通过24bit/192kHz高精度采样保持THD≤0.005%的透明级音质，满足录音母带制作需求。
失真是电声系统中**非理想波形变化**的统称，其核心特征表现为输入信号与输出信号之间的形态差异。根据GB/T 2900.86-2009标准，失真主要分为三类：
a) **非线性失真**：由放大器饱和、扬声器磁路非线性等导致的谐波成分增加；
b) **频率响应失真**：不同频段传输特性不均匀引发的频谱畸变；
c) **相位失真**：相频特性偏离线性关系造成的时域波形畸变。
在音响工程中，失真率（THD）需控制在0.1%以下才能满足Hi-Fi标准，而专业监听系统甚至要求达到0.01%的极致精度。
1. **非线性元件效应**：电子元件的伏安特性曲线偏离直线时，输入信号的基频能量会按泰勒级数展开生成谐波。例如，晶体管放大器在峰值功率时可能产生高达10%的THD。
2. **机械系统共振**：音箱振膜分割振动、音圈偏位等机械缺陷会引发非线性位移，导致中高频区域出现刺耳的**瞬态互调失真**。
3. **声电转换失配**：麦克风/扬声器阻抗特性与电路不匹配时，相位响应在临界频率附近可能出现突变，造成**梳状滤波效应**。
现代失真测量采用**双通道FFT分析**技术，通过对比输入输出信号的频谱差异量化失真成分。典型测试流程包括：
① 使用1kHz/94dB标准信号校准系统；
② 在消声室中对被测设备进行扫频测试（20Hz-20kHz）；
③ 通过IEC 60268-13标准计算总谐波失真+噪声（THD+N）。
在汽车音响系统开发中，该技术成功将仪表盘扬声器的THD从8%降至0.5%，达到车载音响顶级水平。
消费领域：索尼WH-1000XM5耳机采用DSEE Extreme算法，通过频谱补偿将压缩音频的THD降低40%；
专业领域：Genelec真力音箱内置DSP校正系统，可将分频点的相位失真控制在±1°以内；
汽车领域：特斯拉Model S Plaid的22声道音响系统，通过主动噪声控制技术抑制引擎谐波失真，实现剧场级声场还原。
深度学习模型（如WaveNet）已实现实时谐波失真校正，Meta的最新研究成果显示，其AI算法可将老旧录音的THD从12%优化至1.5%；
自适应滤波技术：ADI公司的SHARC处理器可动态补偿房间声学缺陷，使家庭影院系统的频率响应平坦度提升至±0.5dB；
光电转换方案：MEMS光学麦克风通过检测振膜位移而非电压变化，从根本上消除电子元件的非线性干扰。
专业测试需注意：
① 避免使用劣质测试线材引入额外阻抗；
② 校准时需覆盖被测设备的完整工作频段；
③ 环境温度变化可能导致元件参数漂移（±0.5% per 10℃）。
常见误区包括：误将互调失真等同于谐波失真、忽略电源纹波对模拟电路的影响、过度依赖A加权掩盖真实失真特性。
下一代音频技术正在突破传统指标体系：
- **空间音频失真校正**：杜比全景声系统通过头部相关传递函数（HRTF）补偿立体声定位偏差；
- **神经网络均衡器**：利用AI动态调整频响曲线，Sony 360 Reality Audio实现0.005%超低失真；
- **量子精密测量**：IBM量子计算机模拟声子行为，为纳米级扬声器设计提供理论支持。
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