“Giới tự nhiên có lắm kiểu nhiều dạng âm thanh, có âm cao, âm thấp. Chúng ta nói âm điệu của chúng khác nhau. Âm thanh có âm điệu cao, tần số rung động cao; ví dụ như âm thanh của cây sáo, âm điệu cao, nghe tương đối sắc. Âm thanh có âm điệu thấp, tần số rung động thấp; ví dụ như tiếng trống, âm điệu thấp, nghe tương đối trầm trầm.
Âm điệu của còi xe lửa lẽ ra phải cố định. Song, người tinh tế sẽ phát hiện, khi xe lửa chạy đến gần, tiếng còi nghe chói một chút, cũng có nghĩa là âm điệu cao lên một chút. Sau khi đi xa, tiếng còi biến thành trầm một chút, cũng có nghĩa là âm điệu thấp xuống một chút.
Vì nguyên nhân gì vậy?
Mấu chốt của vấn đề là ở chỗ, giữa nguồn âm thanh và người quan sát có sự chuyển động tương đối. Tiếng còi vốn có một tần số nhất định. Sự “”thưa”” và “”dày”” trong sóng âm được sắp xếp theo một khoảng cách nhất định. Khi xe lửa chạy về phía bạn, sự “”thưa”” và “”dày”” của sóng âm trong không khí bị nó ép chặt hơn, khoảng cách giữa “”thưa”” và “”dày”” càng gần hơn. Vì vậy, so với người quan sát thì tần số rung động của âm thanh càng nhanh lên, âm điệu cũng cao lên, âm thanh nghe thấy chói hơn một chút. Khi xe lửa rời khỏi bạn, nó kéo sự “”thưa”” và “”dày”” của sóng âm trong không khí giãn ra. Khoảng cách giữa “”thưa”” và “”dày”” xa nhau hơn. Vì vậy, so với người quan sát thì tần số rung động của âm thanh giảm chậm lại, âm điệu cũng thấp xuống, âm thanh nghe thấy trở nên trầm khàn. Tốc độ của xe lửa càng nhanh, sự biến đổi của âm điệu cũng càng lớn. Công nhân đường sắt ngày ngày tiếp xúc với xe lửa đã có nhiều kinh nghiệm về mặt này. Họ có thể dựa vào sự biến đổi của âm điệu của tiếng còi mà đoán ra tốc độ và hướng chạy của xe hoả.
Trong khoa học, khi giữa nguồn sóng và người quan sát có chuyển động tương đối, hiện tượng tần số thu được của người quan sát khác với tần số phát ra của nguồn sóng gọi là hiệu ứng Doppler. Sự biến đổi âm điệu của còi xe lửa là một ví dụ thực của hiệu ứng Doppler.
Trong thiên văn, dựa vào hiệu ứng Doppler có thể tính toán chính xác được tốc độ của thiên thể so với Trái Đất. Tốc độ chuyển động của vệ tinh nhân tạo cũng được đo đạc bằng cách lợi dụng hiệu ứng Doppler. Tốc độ máu chảy trong huyết quản con người cũng có thể lợi dụng hiệu ứng Doppler để đo.”