Nhà vật lý Doppler phát hiện một hiện tương vật lý như sau, nếu có sự chuyển động tương đối giữa nguồn phát sóng âm và một điểm thu sóng âm thì tần số sóng âm thu được tại điểm thu khác với tần số phát của nguồn, hiện tượng này gọi là hiệu ứng Doppler.

Nếu nguồn phát sóng âm và điểm thu tiến đến gần nhau thì tần số thu được cao hơn tần số nguồn.Ngược lại, hai điểm này chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được nhỏ hơn tần số nguồn. Hiệu Δf của tần số thu được và tần số nguồn gọi là tần số dịch chuyển Doppler (Doppler shift). Cho f0 là tần số của nguồn sóng âm, V là tốc độ dịch chuyển tương đối giữa hai điểm, C là tốc độ sóng âm trong nước ta có: 

                                              Δf = V/C.f0

Giả sử C va f0 là một hằng số thì tốc độ V và Δf tỉ lệ thuận, nghĩa là thong qau việc xác định dịch chuyển tần số Doppler Δf có thể tính được tốc độ V.

Tốc độ kế Doppler (Doppler Log) hoạt động dựa trên hiệu ứng Doppler.Một bộ tạo dao động (tranducer) đặt ở đáy tàu phát 1 tia dao động sóng âm có tần số f0 vào đáy biển theo hướng tạo thành 1 góc θ (thường là 600) với ki tàu, C là tốc độ sóng âm trong nước , tàu chạy với tốc độ V.Ở đáy tàu đặt một bộ tạo dao động thu tiếp nhận hồi âm gây nên bởi sóng phản hồi khuếch tán từ đáy biển.

Tàu chạy với tốc độ V, có thể coi bộ tạo dao động phát và bộ tạo dao động thu đồng thời tiếp cận đến điểm P. Sóng âm sau khi đến đáy biển thì một phần sóng âm phản x4 về máy thu, coi đáy biển là nguồn phát sóng âm thứ 2. Như vậy, bộ tạo dao động thu ở đáy tàu đã tiếp nhận hai lần dịch chuyển tần số Doppler, cho nên công thức dịch chuyển tần số Doppler phải là

                                                  Δf = 2f0.V.cosθ/C

Trong đó V.cosθ là thành phần tốc độ V trên hướng phát sóng âm(không cần xét tới thành phần Vsinθ)

 Có thể chuyển đổi cong thức trên như sau

                                                 V = C. Δf/2. f0.cosθ

Tốc độ kế Doppler dùng tần số cao hơn tần số sử dụng cho máy đp sâu hồi âm, nhờ các bước sóng ngắn hơn cho nên có thể cải tiến đáng kể sóng tán xạ, máy thu có thể không thu được các phản hồi từ phản xạ gương vì chum tia phát đi xiên nhưng thu được sóng tán xạ. Mặt khác nhờ có bước sóng ngắn hơn làm cho chum tia phát sóng hẹp lại, do đó mặt bức xạ của bộ tạo dao động có thể nhỏ lại. Một đặc điểm khác nhờ có chum tia hẹp làm cho công suất bức xạ dao động âm thanh tập trung vao góc hẹp và làm cho hồi âm mạnh hơn.

Mặc dù không mô tả,ta hiểu rằng trong phạm vi hướng chùm tia trên đáy biển đều nhận năng lượng từ chùm tia và phản hồi về bộ tạo dao động với các cường độ mạnh, yếu khác nhau. Các điểm đó đều có các góc kẹp tính đến mặt phẳng ngang khác với góc θ, vì vậy theo công thức cơ bản trên, mỗi điểm như vậy đều có tần số phản hồi khác nhau. Tuy nhiên, tần số trung bình của chúng gần bằng tần số phản hối tại điểm P so với góc phát θ.

Góc α chọn là 600 là góc tối ưu có thể cho phản hồi tín hiệu với cường độ đủ mạnh trở về bộ tạo dao động thu. Hình dàng của đày biển không ảnh hưởng gì đến sự dịch chuyển tần số theo hiệu ứng Doppler, chỉ cần nó đủ ghồ ghề không qua trơn tru để có thể phản xạ sóng âm phản hồi về thiết bị thu.

Như vậy, chỉ cần đo dịch chuyển tần số Δf thì có thể xác định tốc độ V đồng thời tìm tích phân V với thời gian tàu chạy là có thể tính được lộ trình. Đó là nguyên lý cơ bản của tốc độ kế Doppler.