Именно спектральный состав определяет окраску или тембр звука (timbre). Любое периодическое колебание может быть представлено рядом Фурье — суммой конечного числа синусоидальных колебаний (чистых тонов). Частотный спектр звука можно представить как график интенсивностей (амплитуд) этих частотных составляющих, обозначаемых обычно графически в виде вертикальных линий соответствующей высоты:

Спектр чистого тона имеет только одну линию, соответствующую его частоте; спектр любого другого колебания имеет более одной линии. В случае, если на спектре звука имеется достаточно острый пик, то такой звук воспринимается на слух как тон соответствующей высоты, а остальные составляющие определяют его окраску; в противном случае звук воспринимается как одновременное звучание нескольких тонов или шум.

С другой стороны, из-за особенностей слухового восприятия, субъективная высота звука определяется не столько по его основному тону, сколько по спектральному составу. Например, субъективная высота большинства спектрально богатых низкочастотных звуков практически не меняется даже при полном удалении из них основного тона, который восстанавливается слуховым аппаратом по частотам первых обертонов.

Ниже приведены типичные формы волны одиночного звука рояля и кларнета, а также соответствующие частотные спектры:

Изменение амплитуды во времени называется амплитудной огибающей (envelope) звука — при сложении т. н. "несущей частоты" и огибающей амплитуда результирующей волны следует за огибающей:

Аналогично, используется понятие спектральной огибающей — трехмерный график изменения спектра (и соответственно — тембра) во времени: