Los maestros de física utilizan la "teoría de la forma de onda" para analizar a qué se refiere específicamente el timbre.

El tono debe hacer referencia a las características del sonido. Por ejemplo, el do central de un piano y un violín tiene la misma frecuencia (la misma frecuencia fundamental), pero diferentes armónicos.

Los sobretonos se refieren a frecuencias cuya frecuencia es un múltiplo entero del tono fundamental. Es decir, el sonido de una onda sinusoidal con una frecuencia de 2 veces, 3 veces, 4 veces... Cuando estos armónicos se combinan con el tono fundamental en diferentes intensidades, el sonido sigue siendo el mismo pero el timbre cambia.

Incluso añadiendo frecuencias superaudio se puede cambiar el timbre.

Matemáticamente hablando, cualquier forma de onda se puede descomponer en una serie de combinaciones de frecuencias (pero cada frecuencia tiene su propia intensidad).