Âm thanh truyền đi dưới dạng sóng, giống như những gợn sóng lan ra khi ném hòn đá xuống mặt hồ. Khi nguồn phát âm đứng yên, các sóng âm lan tỏa đều ra mọi hướng với khoảng cách bằng nhau giữa các đỉnh sóng. Nhưng khi xe đang chạy tới gần bạn, mỗi đỉnh sóng âm tiếp theo được phát ra từ một vị trí gần bạn hơn đỉnh sóng trước, khiến các sóng bị dồn ép lại gần nhau hơn ở phía trước xe - và sóng càng gần nhau thì tai bạn nghe tần số càng cao, tức âm thanh nghe cao và gấp gáp hơn.

Cơ chế vật lý gọi là hiệu ứng Doppler, do nhà vật lý Christian Doppler mô tả năm 1842. Khi xe tiến lại gần, tần số âm thanh bạn nghe được tăng lên so với tần số thật của còi vì sóng bị nén; khi xe đã đi qua và chạy xa dần, tần số nghe được lại giảm xuống thấp hơn tần số thật vì sóng bị giãn ra. Đó chính là lý do bạn nghe tiếng còi hay tiếng còi hụ xe cứu thương vút lên rồi chùng xuống ngay khi xe vừa lướt qua mình, dù người lái xe bên trong vẫn nghe một tần số còi không đổi suốt quãng đường.

Hiệu ứng này rõ nhất với xe cứu thương, xe cứu hỏa vì còi hụ có âm lượng lớn và tần số thay đổi liên tục sẵn, nhưng bạn cũng có thể tự kiểm chứng bằng còi ô tô bình thường khi đứng bên đường lúc xe vụt qua ở tốc độ cao. Hiệu ứng Doppler còn được ứng dụng thực tế trong súng bắn tốc độ của cảnh sát giao thông, đo tốc độ xe qua sóng radar phản xạ, và trong y học để đo tốc độ dòng máu chảy qua siêu âm Doppler.

Nhiều người nghĩ còi xe tự đổi âm sắc hoặc xe tăng tốc đột ngột khi lại gần rồi giảm tốc khi đi xa nên tiếng còi đổi cao độ. Thực tế còi phát ra đúng một tần số cố định suốt hành trình xe chạy, tốc độ xe có thể hoàn toàn không đổi; sự thay đổi cao độ bạn nghe thấy hoàn toàn đến từ vị trí tương đối giữa bạn và xe đang di chuyển, không liên quan gì đến việc còi đổi giọng.