机械结构及零部件广泛应用在海洋工程、航天航空、电力和冶金等重要领域，且需要较小粗糙度值、较高表面硬度以提高零部件配合精度、增强表面耐磨、耐腐蚀等性能。纵-扭复合振动超声深滚加工技术集成了常规的纵向振动超声深滚加工技术和纵扭共振超声加工技术的优点，既保证了纵向振动超声深滚加工所产生的大深度高幅值残余压应力，适量的加工硬化和金属表面纳米化，又利用了纵-扭复合振动特性来进一步提高零件的加工精度。在纵-扭复合振动超声深滚加工技术中，超声声学系统的设计是其关键技术之一。本研究针对纵-扭复合振动超声深滚加工声学系统设计难题，沿着两种设计思路展开研究，使声学系统在纵向单激励下实现纵-扭复合振动。首先，从一维波动理论出发，结合纵向振动和扭转振动波动方程来求解圆锥形复合变幅杆中纵向及扭转振动同频共振条件，进而确定纵-扭复合振动超声变幅杆的频率设计方程。数值研究结果表明：选择合适的几何结构参数，可利用圆锥形复合变幅杆在纵向单激励下实现纵-扭复合振动，但纵向振动位移节点和扭转振动位移节点不相同，导致变幅杆或声学系统的固定困难。然后采用开斜槽传振杆，由单一纵振模态诱导出纵-扭复合振动模态，实现纵-扭复合振动，并通过分析其振动特性来确定纵-扭复合振动频率。数值研究结果表明，采用纵向振动阶梯形变幅杆和开斜槽传振杆组成声振系统，可以实现纵-扭复合振动，且可在阶梯形变幅杆的位移节点处固定声振系统；声振系统输出端的运动轨迹为二维螺旋曲线，且振幅呈周期性。对声学系统进行测试分析，结果表明该声学系统振动良好，且与有限元分析结果吻合。本研究可为纵-扭复合振动超声声学系统的设计提供一种新的设计思路。