Эффект тембрового вибрато также предназначен для изменения спектра звуковых колебаний. Физическая сущность этого эффекта состоит в том, что исходное колебание с богатым тембром пропускается через полосовой частотный фильтр, у которого периодически изменяется либо частота настройки, либо полоса пропускания, либо по различным законам изменяются оба параметра. При этом фильтр выделяет из всего спектра исходного колебания те частотные составляющие, которые попадают в "мгновенную" полосу его пропускания. Так как полоса пропускания "дышит" по ширине и "гуляет" по частоте, то тембр сигнала периодически изменяется.
Кроме автоматического тембрового вибрато используют еще и ручное (чаще даже "ножное" — с управлением от педали). Такой вариант эффекта известен под названиями "вау-вау".
Необыкновенно красиво звучит электрогитара, сигнал которой пропущен через блок тембрового вибрато, если цикл перестройки фильтра синхронизирован с моментом возникновения колебания струны. Звук каждого очередного взятого аккорда перетекает от одного края своей тембральной области до другого.
Если звуковая карта содержит перестраиваемые резонансные фильтры или хотя бы фильтры нижних частот с перестраиваемой частотой среза, то этот эффект может быть создан и аппаратным способом в реальном времени.