Los cetáceos, al igual que otros vertebrados y algunos invertebrados, como por ejemplo las polillas (orden Lepidoptera), han desarrollado a lo largo de su evolución un sofisticado sistema sensorial denominado ecolocalización, consistente en la emisión de ondas sonoras en el agua que el animal termina recogiendo en forma de ecos y analizándolos en el cerebro.

La mayoría de las llamadas vulgarmente "ballenas con dientes" (suborden Odontoceti) presentan ecolocalización; principalmente delfines, orcas y calderones (familia Delphinidae), marsopas (familia Phocoenidae), cachalotes (familia Physeteriidae), delfines fluviales (familias: Iniidae, Platanistidae y Pontoporiidae), narvales y belugas (familia Monodontidae) y algunas de las llamadas "ballenas con barbas" (suborden Mysticeti), como los rorcuales (familia Balaenopteridae), presentan este sistema sensorial (Cabrera Latorre, Ángel et al. Historia Natural. Océano – Instituto Gallach (ed.). Vertebrados, vol. 1, pp: 115 – 121, Barcelona, España).

Los sonidos utilizados en la ecolocalización por estos mamíferos consisten en cortas emisiones de "clicks" agudos repetidos a diferentes frecuencias. Los "clicks" de baja frecuencia tienen un alto poder de penetración y pueden recorrer largas distancias; éstos son reflejados por estructuras y el animal puede obtener información de la topografía circundante. Por el contrario, para localizar presas cercanas emiten "clicks" de alta frecuencia, inaudible por los humanos. Por ejemplo, el delfín mular o delfín de nariz de botella (Tursiops truncatus), el cetáceo mejor estudiado, estrella indiscutible de los delfinarios, se sabe que emite "clicks" a frecuencias comprendidas entre los 15 y 130 KHz, mientras que la orca (Orcinus orca) emite "clicks" a una frecuencia media de 14 KHz. (A. W. Ambler, National Audubon Society, 1980).

(Modificado de Castro P y Huber ME, Marine Biology, Mc Graw Hill Ed.)

Los "clicks", silbidos y "chillidos" de los cetáceos son producidos y modulados al hacer pasar aire a través del conducto respiratorio (que en estos animales está separado del tracto digestivo) y de los sacos aéreos asociados al mismo mientras el espiráculo permanece cerrado. La frecuencia de estos "clicks" es regulada por contracciones y relajaciones de la musculatura asociada al tracto respiratorio y a los sacos aéreos.

En los cetáceos odontocetos (delfines, orcas, calderones, marsopas, cachalotes, etc.) una estructura, el melón, rellena de espermaceti o "esperma de ballena" (sustancia de naturaleza lipídica), situada en la frente de estos animales y ausente en las llamadas "ballenas con barbas", interviene en la ecolocalización proyectando y dirigiendo las ondas producidas hacia el frente; pero la pregunta que podríamos plantear a los cetólogos llegado este momento sería: ¿qué órgano o estructura, análoga al melón de los cetáceos odontocetos, es el responsable de proyectar estas ondas en los rorcuales puesto que carecen de dicho órgano?.

En los cetáceos estas ondas son recogidas principalmente por la mandíbula inferior, rellena de grasa, transmitiendo las señales sonoras a los oídos internos (el canal auditivo está reducido o bloqueado en la mayoría de los grupos). Cada oído recoge independientemente las señales acústicas, que protegidos por una estructura ósea y embebidos en una solución lipidica, envía la información en forma de señales eléctricas a la corteza cerebral donde el animal elabora un "dibujo" mental del objetivo (presa u objeto) o bien de los alrededores (ver figura).

Los mecanismos neurofisiológicos mediante los cuales las ondas sonoras recogidas por el animal en forma de ecos son transformadas en impulsos eléctricos que viajan desde la cóclea, en el oído interno, hasta la corteza cerebral, han sido bien estudiados en murciélagos (orden Chiroptera) pero en cetáceos todavía plantea grandes interrogantes, aunque algunos zoólogos sostienen que deben seguir un mismo patrón fisiológico en todos los vertebrados que presentan ecolocalización.

Los cetáceos producen una rica variedad de vocalizaciones de baja frecuencia y perfectamente audibles por los humanos, diferentes a los sonidos empleados en ecolocalización y que estos mamíferos utilizan para comunicarse entre ellos.

Recientemente se ha sugerido un distinto uso de las ondas sonoras emitidas por los cetáceos. Esta nueva hipótesis se ha desarrollado como una posible explicación a los hábitos alimenticios observados en el cachalote (Physeter catodon): al analizar el estómago de algunos ejemplares capturados o encontrados varados en playas se ha visto que los calamares gigantes de los que se alimentan estos grandes cetáceos no presentaban cicatrices debidas a los dientes del animal, y lo que es más asombroso, algunos de ellos estaban vivos; ¿utilizan los cachalotes explosiones poderosas de sonido para dejar atónitas a sus enormes presas y poderlas así capturar? Esta hipótesis ha sido bautizada por algunos investigadores con el nombre de "segunda teoría del Big – Bang", considerándola como un subproducto de la ecolocalización.

No es fácil obtener las pruebas necesarias que corroboren esta hipótesis debido a la dificultad existente para reproducir el sonido exacto que emiten estos cetáceos durante la caza de presas, además de las muchas complicaciones que conlleva la realización de estudios detallados sobre el comportamiento de estos mamíferos en su medio natural. No obstante, algunos investigadores aseguran haber escuchado sonidos similares a los producidos al disparar un arma de fuego, en delfines que estaban siendo estudiados en altamar.

En cautividad, se ha observado que estos animales no producen ningún tipo de sonido fuerte debido a que el eco producido al chocar las ondas emitidas por el animal contra las paredes del acuario podría dañarle los oídos. (Castro, P. & Huber, M.E. Marine Biology. Mc Graw – Hill (ed.). Life in the Marine Environment, pp: 185 – 187. Boston).