Des del punt de vista físic, el timbre d’un so musical es pot caracteritzar de manera objectiva mitjançant l’espectre corresponent. En efecte, qualsevol so musical és un cas particular de vibració complexa que pot ser descomposta en vibracions simples o elementals. El conjunt de freqüències i intensitats d’aquestes vibracions simples constitueix l’espectre del so. Per a una nota concreta i un instrument concret, el timbre no és una qualitat fixa. No tan sols depèn de la forma en què s’inicia el so, sinó que a més evoluciona durant la seva emissió. Per a tots els instruments en general, el punt d’excitació del sistema vibratori principal (en els cordòfons, punt de la corda en què es percut, pinça o col·loca l’arquet; en els aeròfons, secció de la columna d’aire on s’acobla l’embocadura...) condiciona els harmònics que apareixen en l’espectre. Així, una corda excitada en el punt mitjà produeix un so amb harmònics exclusivament senars. En els cordòfons, membranòfons i idiòfons, a més, la forma de l’element excitador (martells, pues...) també és determinant per a l’espectre. En general, els excitadors amples impedeixen l’aparició d’harmònics d’ordre elevat (aguts) i reforcen l’aparició dels greus, mentre que els elements prims privilegien els aguts enfront dels greus.
L’evolució del timbre durant l’emissió del so prové de dues raons molt diferents. En els instruments de règim autoexcitat, aquesta evolució depèn de la pressió de bufada (en el cas dels aeròfons) o de la pressió de l’arquet (en el cas dels de corda fregada), i és controlada per l’instrumentista. En general, una pressió alta (o règim forte) dona lloc a espectres rics (amb gran nombre de freqüències elementals), mentre que una pressió baixa (o règim piano) empobreix l’espectre. En els instruments de règim lliure, l’evolució prové dels diferents ritmes d’extinció de les vibracions simples que componen el so global, i no pot ser controlada per l’instrumentista.