Dopplereffekt
Wir betrachten zunächst einen ruhenden Sender (roter Punkt). Dieser beginnt nacht einer kurzen Zeit Wellen auszusenden. Diese Wellen breiten sich kreisförmig mit einer bestimmten Geschwindigkeit $c$ um den Sender aus. Dabei stellen die blauen Kreise jeweils die Wellenberge dar.
Was passiert nun, wenn sich der Sender während des Sendens nach rechts bewegt? Dies ist in der folgenden Animation dargestellt. Der Sender bewegt sich hier mit einer Geschwindigkeit, die dem 0,8-fachen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen entspricht.
Jeweils zwischen dem Aussenden zweier Wellenberge hat sich der Sender etwas nach rechts bewegt. Die Wellenberge sind also rechts von dem Sender zusammengestaucht. Links von dem Sender sind die Wellenberge auseinandergezogen.
Das bedeutet aber: Wenn sich der Sender auf einen Beobachter zubewegt, so nimmt der Beobachter eine höhere Frequenz war (die Wellenberge folgen dichter aufeinander), als der Sender aussendet. Wenn sich der Sender von einem Beobachter weg bewegt, so nimmt der Beobachter eine niedrigere Frequenz war (die WEllenberge sind weiter auseinandergezogen), als der Sender aussendet.
Diesen Effekt bezeichnet man als den Dopplereffekt. Er lässt sich leicht am Rande einer Schnellstraße beobachten. Ein Auto, das auf einen Beobachter zukommt, wird zunächst mit einem höheren Ton wahrgenommen. Sobald das Auto den Beobachter passiert hat, entfernt es sicht vom Beobachter und die Tonhöhe (Frequenz) sinkt ab. Das bewirkt das typische Vorbeifahrgeräusch an einer Schnellstraße.
Machscher Kegel
Was passiert nun, wenn sich der Sender mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt, als sich die Schallwellen ausbreiten? Das ist in der folgenden Animation dargestellt.
Der Sender läuft gewissermassen seinen eignen Schallwellen davon. Dies führt dazu, dass hinter dem Sender ein kegelförmiges Gebilde entsteht, auf dessen Mantelfäche sich viele der Wellenberge überlagern. Hier bildet sich also eine starke Druckwelle aus. Diese Druckwelle bezeichnet man als den Mach'schen Kegel.
Wenn ein Flugzug mit Überschallgeschwindigkeit über einen Beobachter hinwegfliegt, dann passiert diese Druckwelle irgendwann den Beobachter. Dies ist der Moment, an dem der Beobachter den Überschallknall hört. Der Überschallknall entsteht also nicht in dem Moment, an dem das Flugzeug gerade schneller als der Schall ist. Vielmehr schlepppt das Flugzeug die ganze Zeit während es mit Überschallgeschwindig fliegt, eine Druckwelle hinter sich her.