Tous les sons musicaux possèdent une décomposition spectrale harmonique, où chaque fréquence harmonique est un multiple entier de la fréquence fondamentale.
La découverte de cette décomposition spectrale, due à Hermann von Helmholtz, remonte au XIXe siècle, et son étude s'est beaucoup améliorée. Les expériences d'Helmhlotz utilisèrent l’importance du phénomène de résonance dans les vibrations sonores : la résonance est la réponse d’un corps à la vibration émise par un autre corps. Certaines structures physiques répondent distinctement à une onde sinusoïdale de fréquence particulière, appelée fréquence propre du résonateur. Les structures d’Helmholtz étaient des sphères de verre évidées, munies de deux cols courts diamétralement opposés. En dirigeant ces résonateurs vers une source sonore, une harmonique de fréquence égale à la fréquence propre du résonateur était amplifiée et ainsi mise en évidence. La trace de cette harmonique était même conservée prisonnière un court instant après l’arrêt de l’émission de la source sonore. En utilisant une succession de tels résonateurs, Helmholtz mit en évidence l’importance de l’intensité des harmoniques d’un son instrumental, découverte qui modifiera la notion de timbre. Le traité que Helmholtz tirera de ses expériences fut longtemps la référence en matière de timbre musical.
Les instruments d'expérimentation utilisés en acoustique musicale ont évolué grâce à l'amélioration des techniques de visualisation du spectre sonore qui ont toutes permis de comprendre l'importance de cette évolution des intensités respectives des harmoniques dans le temps pour la caractérisation du timbre musical.