Présentation de l'analyse spectrale aux étudiants en ingénierie de premier cycle

Résumé Actuellement, les étudiants en ingénierie ne sont exposés qu'à la théorie de l'analyse de Fourier dans un de leurs cours de mathématiques. Ils ne sont pas formés à la relation entre cette transformée et le spectre de fréquence des données temporelles, ni à la manière de trouver pratiquement ce spectre et de le tracer, ni à la manière de filtrer les données pour éliminer le bruit et les perturbations non souhaités. Étant donné qu'une gamme significative d'applications en ingénierie nécessite l'analyse des données mesurées dans le domaine de la fréquence, les étudiants devront combler cet écart entre théorie et pratique sans guidage approprié. Bien que MATLAB facilite la mise en œuvre de ces processus, seuls les étudiants en génie électrique ayant suivi un cours de DSP sont en mesure de comprendre et de mettre en œuvre ces processus. Cet article présente un module d'enseignement de l'analyse spectrale aux étudiants de deuxième année en ingénierie, en utilisant une approche engageante et pratique sans le niveau intense de mathématiques que l'on trouve dans les livres de DSP. Le module a été appliqué dans un cours de base en ingénierie à l'Institut de technologie de Steven, suivi par 309 étudiants provenant de six départements différents. Il se composait de trois étapes : une recherche dans laquelle les étudiants devaient rapporter une application ou un processus utilisant l'analyse spectrale. Cela a commencé par une discussion en classe des exemples de démonstration partagés par chaque discipline d'ingénierie. Dans la deuxième étape, les étudiants ont appris à utiliser MATLAB pour analyser des signaux musicaux. Les auteurs ont trouvé que la musique était un outil illustratif inestimable pour l'analyse spectrale. Elle attire un large éventail d'étudiants et est facile à générer. L'analyse comprenait la compréhension des concepts de la fréquence d'échantillonnage, des signaux à tonalité unique et multi-tonale, ainsi que la recherche et le tracé du spectre de fréquence en utilisant la commande FFT de MATLAB. Dans la troisième étape, les étudiants ont appris à utiliser MATLAB pour concevoir des filtres passe-bas, passe-haut, passe-bande et coupe-bande ; puis ont filtré les signaux musicaux pour éliminer certaines bandes de fréquence. Enfin, les étudiants ont observé l'effet de l'augmentation de l'ordre du filtre sur ses performances.